電気化学プロセスを利用したショットキー接合形成における溶液/半導体界面の反応機構

利用电化学过程形成肖特基结的溶液/半导体界面的反应机制

基本信息

批准号：
10131201
负责人：
橋詰保
金额：
$ 1.15万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas (A)
财政年份：
1998
资助国家：
日本
起止时间：
1998 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

金属-化合物半導体接合(ショットキー接合)界面においては、通常、フェルミ準位が禁制帯中の特定の位置に固定される、フェルミ準位のピンニング現象がおこるため、デバイスへの応用上、大きな制限が加わってきた。本研究では、パルス電界を利用して、化合物半導体の表面のエッチングと金属電極の形成を同一電解液中で行う、「その場」電気化学プロセスにおける、溶液/半導体界面の反応素過程の理解を基盤として、ショットキー接合界面のフェルミ準位ピンニング緩和機構を明らかにすることを目的とした。得られた成果を以下にまとめる。1) エッチングパルス数によって、エッチング深さの精密制御が可能となった。パルス幅を0.1msとした場合、InP表面で、平均エッチングレート3x10^<-5>nm/pulseが得られた。2) パルスメッキによる金属堆積初期過程をSEMおよびAFMで詳細に調べた結果、金属微粒子の核生成後、粒径が飽和するとともに微粒子の分布が密になることが明らかになった。さらに、メッキパルスのデューテイー比設定によって、粒径およびその分布の制御が可能となることが明らかになった。3) 電気化学プロセスで形成したショットキー界面は、酸化層フリー、ストレスフリーであることが示された。4) Pt/n-InPショットキー接合で、0.86eVという、これまでに報告例の無い極めて高い障壁高が実現された。また、n-GaAsおよびn-GaNに対するショットキー接合においても、熱電子放出理論に基づく電流-電圧特性が得られ、金属の種類に大きく依存した電流-電圧特性のシフトが観測された。5) 電流-電圧特性より求めたショットキー障壁高の金属仕事関数依存性を詳細に調べた結果、n-GaAsに対しては、仕事関数値に対する障壁値の変化率(界面定数)は0.25となり、これまでの代表的な値の2倍以上の変化率を得た。また、n-GaNに対しては、さらに高い界面定数0.49を得た。これは、金属の波動関数が半導体側にしみだして表面フェルミ準位を本質的にピンニングするというモデル(MIGSモデル)に基づく理論値(0.29)をはるかに凌ぐ値である。以上の結果は、本研究で開発された低温・低エネルギー電気化学プロセスによって、遷移層やストレスの無いショットキー接合が形成でき、フェルミ準位ピンニングの緩和により、金属の仕事関数に依存したショットキー障壁高のふるまいが得られたことを示唆する結果である。

在金属化合物半导体结（肖特基结）界面，通常会出现费米能级钉扎现象，即费米能级固定在禁带的特定位置，这对器件应用造成了很大的限制已加入。在这项研究中，我们的目的是了解“原位”电化学过程中溶液/半导体界面的基本反应过程，其中使用脉冲电场蚀刻化合物半导体的表面并在同一过程中形成金属电极。作为基础，我们旨在阐明肖特基结界面的费米能级钉扎弛豫机制。所得结果总结如下。 1）通过改变刻蚀脉冲的数量可以精确控制刻蚀深度。当脉冲宽度为0.1ms时，在InP表面上获得3×10 -5 nm/脉冲的平均蚀刻速率。 2）使用SEM和AFM对脉冲电镀金属沉积的初始过程进行了详细研究，结果表明，细小金属颗粒成核后，颗粒尺寸饱和，细颗粒分布变得致密。此外，还发现可以通过设定电镀脉冲的占空比来控制颗粒尺寸及其分布。 3）电化学过程形成的肖特基界面无氧化层且无应力。 4）在Pt/n-InP肖特基结中实现了之前从未报道过的0.86eV的极高势垒高度。此外，在n-GaAs和n-GaN的肖特基结中还获得了基于热电子发射理论的电流-电压特性，并且观察到很大程度上取决于金属类型的电流-电压特性的变化。 5) 对由电流-电压特性确定的肖特基势垒高度的金属功函数依赖性进行详细研究的结果是，势垒值相对于功函数值（界面常数）的变化率为0.25 n-GaAs，我们获得的变化率是迄今为止典型值的两倍以上。此外，n-GaN 的界面常数甚至高达 0.49。该值远远超过基于模型（MIGS模型）的理论值（0.29），其中金属的波函数泄漏到半导体侧并基本上固定表面费米能级。上述结果表明，本研究开发的低温、低能电化学过程可以在没有过渡层或应力的情况下形成肖特基结，并且通过放松费米能级钉扎，肖特基结取决于金属的功函数该结果表明获得了势垒高度行为。