Contacto óhmico

Un contacto óhmico es una unión eléctrica no rectificadora : una unión entre dos conductores que presenta una curva de corriente-tensión (I-V) lineal, según la ley de Ohm . Los contactos óhmicos de baja resistencia se utilizan para permitir que la carga fluya fácilmente en ambas direcciones entre los dos conductores, sin bloqueos debidos a la rectificación ni disipación excesiva de potencia por umbrales de tensión.

Por el contrario, una unión o contacto que no presenta una curva I-V lineal se denomina no óhmico. Los contactos no óhmicos se presentan en diversas formas, como la unión p-n , la barrera Schottky , la heterounión rectificadora o la unión de ruptura .

Generalmente, el término "contacto óhmico" se refiere implícitamente a un contacto óhmico entre un metal y un semiconductor, donde lograr una resistencia de contacto óhmica es posible, pero requiere una técnica cuidadosa. Los contactos óhmicos metal-metal son relativamente más sencillos de fabricar, ya que aseguran el contacto directo entre los metales sin capas intermedias de contaminación aislante, rugosidad excesiva u oxidación ; se utilizan diversas técnicas para crear uniones óhmicas metal-metal ( soldadura , soldadura , engaste , deposición , galvanoplastia , etc.).

Los contactos estables en las interfaces de semiconductores, con baja resistencia de contacto y comportamiento I-V lineal, son fundamentales para el rendimiento y la fiabilidad de los dispositivos semiconductores , y su preparación y caracterización constituyen esfuerzos importantes en la fabricación de circuitos. Las uniones mal preparadas con semiconductores pueden presentar fácilmente un comportamiento rectificador al provocar el agotamiento del semiconductor cerca de la unión, lo que inutiliza el dispositivo al bloquear el flujo de carga entre estos y el circuito externo. Los contactos óhmicos con semiconductores se construyen típicamente mediante la deposición de películas metálicas delgadas de una composición cuidadosamente seleccionada, posiblemente seguidas de un recocido para modificar el enlace semiconductor-metal.

Tanto los contactos óhmicos como las barreras Schottky dependen de la altura de la barrera Schottky, que establece el umbral de energía adicional que un electrón necesita para pasar del semiconductor al metal. Para que la unión admita electrones fácilmente en ambas direcciones (contacto óhmico), la altura de la barrera debe ser pequeña en al menos algunas partes de la superficie de la unión. Para formar un contacto óhmico excelente (baja resistencia), la altura de la barrera debe ser pequeña en todas partes y, además, la interfaz no debe reflejar electrones.

La altura de la barrera Schottky entre un metal y un semiconductor se predice ingenuamente mediante la regla de Schottky-Mott como proporcional a la diferencia de la función de trabajo metal-vacío y la afinidad electrónica semiconductor-vacío . En la práctica, la mayoría de las interfaces metal-semiconductor no siguen esta regla en el grado predicho. En cambio, la terminación química del cristal semiconductor contra un metal crea estados electrónicos dentro de su banda prohibida . La naturaleza de estos estados de banda prohibida inducidos por el metal y su ocupación por electrones tiende a fijar el centro de la banda prohibida al nivel de Fermi, un efecto conocido como fijación del nivel de Fermi . Por lo tanto, las alturas de las barreras Schottky en los contactos metal-semiconductor a menudo muestran poca dependencia del valor de las funciones de trabajo del semiconductor o del metal, en marcado contraste con la regla de Schottky-Mott. ^{[ 1 ]} Diferentes semiconductores exhiben esta fijación del nivel de Fermi en diferentes grados, pero una consecuencia tecnológica es que los contactos óhmicos de alta calidad (baja resistencia) suelen ser difíciles de formar en semiconductores importantes como el silicio y el arseniuro de galio .

La regla de Schottky-Mott no es del todo incorrecta, ya que, en la práctica, los metales con alta función de trabajo forman los mejores contactos con semiconductores de tipo p, mientras que aquellos con baja función de trabajo forman los mejores contactos con semiconductores de tipo n. Desafortunadamente, los experimentos han demostrado que el poder predictivo del modelo no va mucho más allá de esta afirmación. En condiciones reales, los metales de contacto pueden reaccionar con las superficies de los semiconductores para formar un compuesto con nuevas propiedades electrónicas. Una capa de contaminación en la interfaz puede ensanchar la barrera. La superficie del semiconductor puede reestructurarse, dando lugar a un nuevo estado electrónico. La dependencia de la resistencia de contacto con los detalles de la química interfacial es lo que convierte la fabricación reproducible de contactos óhmicos en un desafío tan grande.

La fabricación de contactos óhmicos es una parte muy estudiada de la ingeniería de materiales que, sin embargo, sigue siendo un arte. La fabricación reproducible y fiable de contactos depende de una limpieza extrema de la superficie del semiconductor. Dado que se forma rápidamente un óxido nativo en la superficie del silicio , por ejemplo, el rendimiento de un contacto puede depender en gran medida de los detalles de la preparación. A menudo, la región de contacto se dopa intensamente para garantizar el tipo de contacto deseado. Por lo general, los contactos óhmicos en semiconductores se forman más fácilmente cuando el semiconductor está altamente dopado cerca de la unión; un alto dopaje reduce la región de agotamiento en la interfaz y permite que los electrones fluyan fácilmente en ambas direcciones con cualquier polarización mediante el efecto túnel a través de la barrera.

Los pasos fundamentales en la fabricación de contactos son la limpieza de la superficie del semiconductor, la deposición del metal de contacto, el modelado y el recocido. La limpieza de la superficie puede realizarse mediante grabado por pulverización catódica, grabado químico, grabado con gas reactivo o fresado iónico. Por ejemplo, el óxido nativo del silicio puede eliminarse con una inmersión en ácido fluorhídrico , mientras que el GaAs se limpia más comúnmente con una inmersión en bromo-metanol. Después de la limpieza, los metales se depositan mediante deposición por pulverización catódica , evaporación o deposición química en fase vapor (CVD). La pulverización catódica es un método de deposición de metales más rápido y conveniente que la evaporación, pero el bombardeo iónico del plasma puede inducir estados superficiales o incluso invertir el tipo de portador de carga en la superficie. Por esta razón, puede utilizarse la CVD, un método más suave pero igualmente rápido. El recocido posterior a la deposición de los contactos es útil para aliviar la tensión, así como para inducir cualquier reacción deseable entre el metal y el semiconductor.

Debido a que los metales depositados pueden reaccionar en condiciones ambientales, perjudicando las propiedades eléctricas de los contactos, es común formar contactos óhmicos con estructuras multicapa, donde la capa inferior, en contacto con el semiconductor, se elige por su capacidad para inducir un comportamiento óhmico. Se puede utilizar una capa de barrera de difusión para evitar que las capas se mezclen durante cualquier proceso de recocido.

La medición de la resistencia de contacto se realiza de forma más sencilla utilizando una sonda de cuatro puntas, aunque para una determinación más precisa, lo habitual es utilizar el método de la línea de transmisión .

El aluminio fue originalmente el metal de contacto más importante para el silicio, que se utilizaba tanto con semiconductores de tipo n como de tipo p. Al igual que otros metales reactivos, el aluminio contribuye a la formación de contactos consumiendo oxígeno del dióxido de silicio residual. El aluminio puro reaccionaba con el silicio, por lo que se sustituyó por aluminio dopado con silicio y, posteriormente, por siliciuros menos propensos a difundirse durante los procesos posteriores a alta temperatura.

Los contactos óhmicos modernos para silicio, como el disilicuro de titanio-tungsteno, suelen ser siliciuros fabricados mediante CVD. Estos contactos se obtienen depositando el metal de transición y formando el siliciuro mediante recocido , lo que puede dar lugar a una composición no estequiométrica . Los contactos de siliciuro también pueden depositarse mediante pulverización catódica directa del compuesto o mediante implantación iónica del metal de transición seguida de recocido.

La formación de contactos en semiconductores compuestos es considerablemente más difícil que en el silicio. Por ejemplo, las superficies de GaAs tienden a perder arsénico , y esta tendencia puede verse considerablemente exacerbada por la deposición de metal. Además, la volatilidad del arsénico limita la cantidad de recocido posterior a la deposición que toleran los dispositivos de GaAs. Una solución para el GaAs y otros semiconductores compuestos consiste en depositar una capa de contacto de aleación de baja banda prohibida en lugar de una capa fuertemente dopada. Por ejemplo, el propio GaAs tiene una banda prohibida menor que el AlGaAs, por lo que una capa de GaAs cerca de su superficie puede promover un comportamiento óhmico. En general, la tecnología de contactos óhmicos para semiconductores III-V y II-VI está mucho menos desarrollada que para el Si.

Los contactos transparentes o semitransparentes son necesarios para las pantallas LCD de matriz activa , los dispositivos optoelectrónicos como los diodos láser y los sistemas fotovoltaicos . La opción más popular es el óxido de indio y estaño , un metal que se forma mediante la pulverización catódica reactiva de un blanco de In-Sn en una atmósfera de óxido.

La constante de tiempo RC asociada a la resistencia de contacto puede limitar la respuesta en frecuencia de los dispositivos. La carga y descarga de la resistencia de los conductores es una causa importante de disipación de potencia en la electrónica digital de alta frecuencia . La resistencia de contacto provoca disipación de potencia por calentamiento Joule en circuitos analógicos y de baja frecuencia (por ejemplo, células solares ) fabricados con semiconductores menos comunes. El establecimiento de una metodología de fabricación de contactos es fundamental para el desarrollo tecnológico de cualquier nuevo semiconductor. La electromigración y la delaminación en los contactos también limitan la vida útil de los dispositivos electrónicos.

• Sze, SM (1981). Física de dispositivos semiconductores . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-05661-4.Análisis de la teoría y sus implicaciones para los dispositivos.
• Zangwill, Andrew (1988). Física en superficies . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-34752-5.Aborda los contactos desde el punto de vista de los estados superficiales y la reconstrucción.

• Las revistas Journal of the American Vacuum Society , Thin Solid Films y Journal of the Electrochemical Society publican investigaciones actuales sobre contactos óhmicos.