JPS5932902B2 - 半導体オ−ミツク接点 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明の分野 本発明は、化合物半流体乃至は多元素半導体と金属との
オーミック接触に関するものである。

一般に、化合物半導体と金属を接触させると、その界面
にキャリヤの流れを阻止する障壁が現われるが、これは
金属一半導体界面に固有のものであつて、５ オーミッ
ク接点の形成という点では好ましくない。先行技術Ｇａ
Ａｓのような化合物半導体の表面に存在する障壁を低く
する試みとして、例えば米国特許第４１８８７１０号明
細書によれば、表面部分に高１０濃度のゲルマニウムが
ドープされる。

また、米国特許第３９８４２６工号明細書によれば、Ｇ
ａＡｓ上にＩｎＧａＡｓの階段層が置かれる。しかしな
がら、後者の方法では、階段構造のために別の障壁が生
じてしまう。１５本発明の要約 本発明は、金属と化合物半導体との間に可変の成分を持
つた中間半導体領域を設けることにより従来よりも低抵
抗のオーミック接点を形成することを目的とする。

２０金属と化合物半導体との間に中間半導体領域を設け
た場合に問題となるのは、前二者と中間半導体領域との
界面における障壁の形成であるが、本発明によれば、化
合物半導体との界面から金属との界面にかけて中間半導
体領域の成分を徐々に変２５えていくことにより、この
ような障壁の形成が阻止される。

異種の半導体を接触させた場合、それらの格子定数に差
があると界面付近に転位が生じ、それが障壁の原因にな
る。

格子不整合度が０．００５以下３０であれば転位は生じ
ないから、転位による障壁形成を阻止するためには、界
面付近において化合物半導体及び中間半導体領域の成分
を共通にしておけばよい。そうすれば、電子親和力の差
による障壁の形成も防げる。ただし、このまま金属を接
触３５させると、金属及び化合物半導体を直接接触させ
た場合と如ら変わりはないから、金属との界面における
障壁形成を阻止するため、中間半導体領域の成分が徐々
に変えられる。成分を変えていくと、中間半導体領域゛
のバンド・ギヤツプも化合物半導体との界面における最
大幅から金属との界面における最小幅まで徐々に減少し
ていく。この最小幅は０．５電子ボルトよりも小さいの
が望ましい。実施例の説明第１図において、二元半導体
ＡＢとして示されている化合物半導体１は例えばＧａＡ
ｓであつてもよい。

図示の例では、化合物半導体１の導電型はｎ−である。
勿論、反対の導電型であつてもよい。中間半導体領域２
は、金属電極７が付着される表面における障壁の形成を
阻止し、且つ化合物半導体１との界面にも障壁を形成し
ない。これは、化合物半導体１と中間半導体領域２との
格子整合度を高くすると共に電子親和力の差を小さくし
、且つ中間半導体領域２のバンド・ギヤツプを傾斜させ
て表面のところで最小になるようにすることにより達成
される。化合物半導体１がＧａＡｓのような二元半導体
ＡＢであれば、中間半導体は成分Ａ及びＢを共通とし且
つこれに第３の成分Ｃが付加されたＧａＩｎＡ．のよう
な三元半導体ＡＣＢであつてもよい。

第１成分Ａと第３成分Ｃとの間にはＡＸＣｌ−Ｘなる関
係があり、化合物半導体１との界面３においては第３成
分Ｃは実質的にゼロ（Ｘ＝ｌ）であつて、中間半導体は
ＡＢ（ＧａＡｓ）になつている。従つて、界面３のとこ
ろには、格子不整合による障壁は生じない。第１成分Ａ
は、第１図中の線４のところで実質的にゼロ（Ｘ＝０）
になつている。即ち、線４の左側の領域５においては、
三元半導体ＡＣＢが二元半導体ＣＢに変つている。この
二元半導体ＣＢ（ＮＡｓ）は、金属７との界面において
０．５電子ボルトより小さいエネルギ・ギヤツプ６を有
し、小なくとも１０１９原子／ｄ程度までドープされて
いる。化合物半導体１と中間半導体２との間の界面３に
おいては、格子の不整合度の絶対値が０．００５（転位
を生せしめる値）を越えてはならない。

この条件は、２つの成分即ち元素が二元半導体のものと
同じであり且つ第３の元素が界面３のところでゼ明ζな
つているような三元半導体を用いることによつて満足さ
れる。第１図において、右から左に向つて、第３元素Ｃ
が徐々に増加し且つ共通元素の１つが徐々に減少するよ
うにすると、バンド・ギヤツプが傾斜して、価電子帯が
上昇する。この結果、金属７との界面におけるエネルギ
・ギヤツプ６は、二元半導体ＣＢのそれに等しくなり例
えばＮＡｓでは約０．３５電子ボルトである。本発明に
従うオーミツク接点の電圧一電流特性を第２図に示す。
表面準位又は界面３におけるキヤリヤ・トラツプに起因
するすべての障壁が除かたるので、特性曲線は傾斜の大
きい（低抵抗）直線になつている。本発明に従えば、オ
ーミツク接点の抵抗値は１０−６Ωｄよりかなり小さい
。ＧａＡｓのよ一う゛に、２以上の元素の原子が規則的
に配列された結果格子を有する化合物半導体においては
、金属とし接触によりその表面に障壁力Ｓ生じる。障壁
が存在していると抵抗が高くなるので、デバイスの性能
が低下する。これまでにも、接触抵抗を減らす試みにな
されているが、その結果として別の場所に障壁が生じて
いた。本発明においては、このような障壁はすべて除が
れる。理想的なオーミツク接点は、抵抗が次式で表わさ
れるものであろう。

Ｊは、ＺＯでの接点における電流密度である。

電流及び電圧の変化率を一定にするためには、すべての
非線形障壁を除く必要がある。このような非線形障壁の
一つに、金属を半導体表面に付着したときに生じるシヨ
ツトキ障壁がある。

これは、金属と半導体との間の仕事関数及び電子新和力
の差に起因している。一般的な金属一化合物半導体接触
におけるエネルギ準位の様子を第３図に示す。

理想的なシヨツトキ障壁の場合、その高さφｂは次式で
表わされる。上式において、φｍは金属の仕事関数であ
り、Ｘは半導体の電子親和力である。

式（２）は、化合物半導体の表面準位即ちキヤリヤ・ト
ラツプの密度が小さく且つ金属が化合物半導体に対して
不活性であれは有効である。

これらの条件のもとで、金属の仕事関数φｍが半導体の
電子親和力Ｘ以下であれば、オーミツク接点になる。し
かしながら、実際には特に一族の化合物半導体において
このような状態が生じるのは稀である。例えば、最近特
に注目を集めているＧａＡｓの場合、障壁の高さφｂは
、使用される金属には関係なく０．７乃至０．８電子ボ
ルトである。

このようにＧａＡｓのφｂがほぼ一定になるのは、Ｇａ
Ａｓの表面準位の密度が高く、従つてφｂ力Ｓクランプ
されるからであると思われる。例えば１０１８原子／ｄ
以下のドーピング・レベルを有するＧａＡｓに金を蒸着
した場合、電圧一電流曲線は第４図のようになり、整流
特性が現われている。合金の使用による改善も試みられ
たが、これには処理工程上の制限がある。第５図は、米
国特許第４１８８７１０号明細書に記載されているよう
な合金型（例えば金−ゲルマニウム）の接点におけるエ
ネルギ準位を示している。図示のように、φｂは依然と
して存在しているが、金属との接触部即ち表面付近のド
ーピング・レベルを極めて高くすることにより、伝導帯
及び価電子帯の両７７がこの部分で降下しており、障壁
の幅Ｗも短くなつている。量子力学的トンネル効果が生
じる程度まで幅Ｗが短くなると、キヤリヤはトンネル効
果によつて金属一半導体間を移動し、φｂを越えなくて
もよいから、その特性は第６図に示したようにオーミツ
クになる。しかしながら、ＧａＡｓに１０１９原子／？
程度の高濃度のドーピングを行なつても、接触抵抗を１
０−６Ωｄ以下にすることはできない。第６図の特性曲
線の傾きは第２図よりも緩やかであり、これは接触抵抗
が本発明のものより高いことを示している。更に、トン
ネル効果が生じる程度の短い幅を有し且つ高濃度にドー
プされた領域を形成するためには、処理工程の制御を厳
密に行なわなければならないが、加熱された状態で処理
されるため、再現性は悪い。

障壁の幅即ち空乏領域の幅Ｗはドーピング密度の逆数と
指数関数的に関係しており、従つて極めて変動し易い。
トンネル効果が生じ得る幅Ｗは数百オングヌトローム程
度であるが、所望のオーミツク接点を得るためには、時
間及び温度を正確に設定しなければならない。しかしな
がら、これらを正確に設定しても、加熱を伴う後続の工
程で、パラメータ（Ｗなど）が変化してしまうことがあ
る。第５図における別の問題は、０．５電子ボルトより
も大きいφｂが依然として存在しているので、それによ
る接触抵抗が幾らかあり、従つて電圧一電流特性がオー
ミツクであつても、低抵抗を必要とする回路には向かな
いということである。

第５図の先行技術は第３図のものより優れてはいるが、
例えば１０−６Ωｍｌ程度の良好な低接触抵抗が得るた
めには、φｂを０．５電子ボルトより小さくしなければ
ならず、特に１０１７原子ｒより低い濃度のｎ一型材料
にオーミツク接点を形成するためには、φｂを０．５電
子ボルトより小さい値に保つておかねばならない。接触
抵抗の問題に対する別の試みは、化合物半導体と金属と
の間にφｂを減少させ得る半導体層を設けるものであつ
た。

例えば米国特許第３９８４２６ｊ１号明細書には、Ｇａ
Ａｓ上にＩｎＧａＡｓの領域を設ける力法が開示されて
いる。

しかしながら、このような力法では、第７図及び第９図
に示したように、金属との接触部における障壁は減少し
ても、化合物半導体との界面に別の障壁が生じてしまう
。第７図の例では、化合物半導体ＡＢと金属との間にバ
ンド・ギヤツプの小さい半導体ＡＣＢが挿入されている
が、両半導体材料の界面に、キヤリヤ・トラツプ乃至は
界面準位による障壁が生じている。

本発明に従えば、このような障壁は、格子の不整合度を
０．００５以下に抑えることにより避けられる。第７図
は、バンド・ギヤツプの小さい半導体の格子間隔が化合
物半導体のものより大きい場合を例示したものであるが
、キヤリヤ・トラツプとして働く界面準位が障壁を生せ
しめているので、その特性曲線には整流特性が現われて
いる，（第８図参照）第９・図は、中間半導体の電子親
和力が化合物半導体のものより小さい場合を示しており
、格子不整合従つて界面準位は認められないが、電子の
流れを阻止する障壁は依然として存在しており、特性曲
線にも整流特性が現われている（第１０図参照）０下記
の式（３）及び（４）は、本発明に従つて第７図及び第
９図に示したような障壁をなくすための、格子不整合度
及び電子親和力の差に関する条件を示している。

αＡＣＢ＝中間半導体即ち小バンド・ギヤツプの三元半
導体ＡＣＢの格子定数αＡＢ＝二元の化合物半導体ＡＢ
の格子定数１ＸＡＢ−ＸＡＣｌく０．０４電子ボルト
（４）良好なオーミツク接点を得るためには、式（３）
及び（４）の少なくとも１つが満足されていなければな
らない。

第１図に示したように、傾斜バンド・ギヤツプを有する
中間半導体を使用すれば、格子の不整合度及び他の転位
を最小にすＱことができる。第１図に戻つて、本発明の
良好な実施例においては、ｎ一型の二元半導体ＡＢ（Ｇ
ａＡｓ）１上にｎ一型の三元半導体ＡＣＢ（ＧａｘＩｎ
ｌ−ＸＡｓ）２がエピタキシヤル成長される。その場合
、Ｘは界面３における純粋のＧａＡｓ（Ｘ−１）から界
面４における純粋のＩｎＡｓ（Ｘ＝Ｏ）に至るまで、約
２０００オングストロームの距離にわたつ−Ｌ．徐々に
変化する。このようにすると、界面３においては格子及
び電子親和力の完全な整合が得られ、金属７と領域５と
の界面においては、フエルミ準位がｎ＋ＩｎＡｓの伝導
帯の準位にクランプされる。価電子帯との間のエネルギ
・ギヤツプ６は０．５電子ボルトより小さい。ＩｎＡｓ
の場合、エネルギ・ギヤツプは約０．３５電子ボルトで
ある。最後に、金属電極として金が加熱なしに蒸着又は
電気メツJ■■Ωｄよりも小さくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う金属一化合物半導体接触のエネル
ギ準位を示す図、第２図はその電圧一電〜流特性を示す
グラフ、第３図は通常の金属一化合物半導鉢接触のエネ
ルギ準位を示す図、第４図はその電圧一電流特性を示す
グラフ、第５図は金属一化合物半導体界面におけるドー
ピング・レベルを高くした先行技術のエネルギ準位を示
す図、第６図はその電圧一電流特性を示すグラフ、第７
図は中間半導体を用いた先行技術のエネルギ準位を示す
図、第８図はその電圧一電流特性を示すグラフ、第９図
は両半導体間に界面準位がない先行技術のエネルギ準位
を示す図、第１０図はその電圧一電流特性を示すグラフ
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属と化合物半導体との間に中間半導体領域を設け
   、該領域と上記化合物半導体との第１界面及び該領域と
   上記金属との第２界面における障壁の形成を阻止するよ
   うに該領域の成分を上記第１界面から上記第２界面にか
   けて徐々に変えていくことを特徴とする半導体オーミッ
   ク接点。 ２ 上記化合物半導体はＧａＡｓであり、上記中間半導
   体領域はＧａ＿＿ｘ＿Ｉ＿ｎ＿＿１＿＿−＿＿ｘ＿Ａ＿
   ｓである特許請求の範囲第１項記載の半導体オーミック
   接点。 ３ Ｇａ＿＿ｘ＿Ｉ＿ｎ＿＿１＿＿−＿＿ｘ＿Ａ＿ｓの
   ｘは、ＧａＡｓとの界面において純粋のＧａＡｓが形成
   され且つ金属との接触部において純粋のＩｎＡｓが形成
   されるように徐々に変化される特許請求の範囲第２項記
   載の半導体オーミック接点。