가장 기본적인 접합은 PN접합이지만 실제 반도체 제조 공정에서는 Metal과 Semi-Conductor와의 접합이 굉장히 많이 존재한다. Metallization을 통해서 반도체에서 Contact을 통해 배선이 연결되고 그런 Contact마다 금속-반도체 접합이 존재한다.
Work function(Φ) 일함수는 무엇인가?
우선 접합에 대해 정리를 하기 전에 일함수(workfunction, Φ)을 알아야한다.
일함수(workfunction, Φ)은 광전효과를 베이스로하여 등장하는 개념이다.
특정 metal에 빛을 비추었을 때, 특정 주파수보다 높은 주파수일 경우 electron이 진공 vacuum으로 튀어나가게되는데 그때 필요한 최소 Energy(q* Φ, q는 전하량) 이다.
위의 E diagram에서는 Evacuum에서부터 Ef까지의 에너지 차이가 Workfunction이다.
Schottky Contact(쇼트키 접합)이란 무엇인가?
Φm : metal의 일함수
Φs : semiconductor의 일함수
위의 figure의 경우에는 반도체의 fermi level이 Ev보다 Ec에 더 가까이에 있으므로 n_type으로 볼 수 있습니다. 해당 n_type 반도체와 metal 접합의 경우 일반적으로 metal의 일함수인 Φm가 Φs보다 더 크죠.
접합이 되면 결국 위와 같은 Energy Band Diagram을 그릴 수 있습니다.
'열적 평형상태'에서 Fermi Level은 하나만 존재하기 때문에 Band Beding이 발생하죠.
그러면 위와 같이 Ef는 동일하게 그어지지만, Metal 과 Semiconductor사이의 전위차는 그대로 남아있게 됩니다.
이때의 에너지 장벽을 Schottky Barrier(쇼트키 장벽)이라고 부릅니다.
Schottky barrier, q Φb = q(Φm- Φs) 로 나타낼 수 있죠.
장벽(barrier)라고 부르는 이유는 두 접합물 사이를 오고가는 carrier인 electron 혹은 hole의 이동을 방해하는 장벽이기 때문입니다. 이 Schottky barrier가 높다면 메탈과 반도체 사이를 diffusion 혹은 drift해서 이동하기에 더 큰에너지를 필요로 하고 전류가 흐르기 더 어려워지죠. 정확히 barrier가 형성되는 원리는 아래와 같습니다.
Metal과 Semiconductor를 접합하게 되면 물질별로 초기에 다른 Fermi Level의 차이가 일정해지기 위해서 Band의 Beding이 발생하여 접합하게 됩니다(열적 평형상태). 이때, 상대적으로 더 높은 Fermi Level을 가지고 있던 semiconductor는 metal보다 Ec위의 E Level에서는 상대적으로 전자가 존재할 확률이 더 높죠. 그럼 diffusion(확산)에 의해서 전자의 농도가 더 높은 semiconductor에서 metal로 전자들이 이동을 하게 됩니다. 이때, semiconductor의 electron이 metal로 이동을 하면서 n-type semiconductor에 fixed donor(+) ion이 드러나고, metal은 또 넘어온 electron에 의해 accept(-) ion이 드러나면서 depletion region이 형성되게 됩니다.
이 depletion region(공핍층)이 생기면 내부 전위인 E Field가 형성되었다는 말이고 이 힘이 바로 diffusion을 막는 barrier 역할을 합니다. → Schottky Barrier(쇼트키 장벽)
하지만, 쇼트키 장벽이 높다고 해서 무조건 나쁜 것은 아닙니다. Capacitor의 경우 MIM의 Metal-Insulator-Metal의 구조를 가지는데 Insulator라고 하지만 완벽한 Insulating 물질이 아닌 경우 어느정도의 conductivity를 가지고 있죠. 그런 반도체 물질의 경우 Metal과 접합을 하게 되면 Schottky barirer가 형성되게 됩니다. 이때는 오히려 이 장벽을 최대한 크게 만들어서 전류가 흐르기 어렵게 만드는 것이 좋습니다. 왜냐면 Capacitor는 전류가 흐르게 된다면 그것은 누설전류로 Charge Loss를 의미하기 때문이죠. 그렇기 때문에 상황에따라서 의도적으로 Schottky barrier를 높이거나 낮추는 것이 중요합니다.
Ohmic Contact 옴 접합이란 무엇인가?
위에서 설명한 Barrier가 형성이 되면 장벽의 폭(W)을 넓히거나 줄이면서 전류를 흘러 보내거나 보내지 않을 수 있죠. 이처럼 Schottky Barrier가 생기고 마치 다이오드 처럼 작동하는 것을 Rectifying Contact(정류성 접촉)이라고 합니다. N type반도체가 접촉시, 만약 Φm > Φs 가 아니라 그 반대인 Φm < Φs인 조건이라면 정류작용을 하는 것이 아닌 양방향으로 전류를 흘러주는 Ohmic 한 I-V 특서을 지니게 됩니다. 이때를 Ohmic Contact(옴성 접촉)이라고 부릅니다.
그렇지만, 이 조건을 만족시키는 물질들이 거의 존재하지 않기 때문에 이런 이상적인 Ohmic Contact보다는 Tunneling을 통해 Ohmic으로 작동을 시킵니다.
Tunneling을 활용한 Ohmic Contact은 Rectifying Contact과 어떤 점이 다르길래 양방향으로 전류가 흐를까요?
Backward bias가 인가되었을 때, 전류가 흐르지 못하는 일반적인 상태와 달리 Highly doping이 된 semiconductor의 경우에는 두 material을 접합하였을 때, barrier가 매우 가파르게 형성이 됩니다.
그렇기 때문에 Backward bias임에도 불구하고, Schottky barrier가 존재함에도 불구하고, 캐리어드이 그 barrier를 통과해버리는 Tunneling이 쉽게 발생하여 양방향으로 전류가 흐를 수 있는 것이죠.
위 그림에서 알 수 있듯이 Ohmic Contact은 bias의 방향과 상관없이 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있습니다. 반도체에서 결국 반도체를 수없이 엮어가면서 Logic을 구성하게 되는데 그때 Metal 배선과의 Contact은 매우 중요합니다. 최대한 저항성을 줄여야 하고 전류가 잘 흐를 수 있어야 하죠. 그렇기 때문에 Cell과 배선을 연결할 때는 최대한 Ohmic Contact을 만들어서 저항성을 줄여야 합니다. MOSFET의 그림에서 Source와 Drain의 도핑이 n+또는 p+로 되어 있는 것도 이와 관련이 있죠.
각각 N/P Type의 semiconductor마다 그 조건이 상이하지만, 결론적으로 정리하자면 Rectifying Contact과 Ohmic Contact의 차이는 workfunction(Φ)의 차이에서 찾을 수 있습니다.
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