肖特基结的制备与势垒测量

崔益民，陈 彦，裴 朝，潘 晖，张高龙，钱建强，李 华

（北京航空航天大学 物理教学与实验中心，北京100191）

1 引 言

金属－半导体接触是固体物理和半导体技术的一个具有近百年历史的古老研究领域．随着科学技术的发展，该领域取得了许多进展，但是，也存在许多重要的问题有待解决．在基础研究方面，如费米能级的钉扎机理问题；在技术应用方面，由于器件的发展提出了许多新要求，所以不断有许多新技术和工艺尚待探索．在这个研究领域中，整流接触和欧姆接触是其中的2个重要的课题［1］．

钙钛矿氧化物具有介电、铁电、压电、光电、超导、巨磁电阻以及光学非线性等很多吸引人的特性与效应．尽管钙钛矿型氧化物的性质各异，但大部分在结构上具有很好的相容性．Sr TiO3（STO）是典型的钙钛矿结构氧化物，具有较高的相对电容率（300～2 000）和非常低的损耗，是应用于微电子领域中的一种高K材料，同时STO薄膜因其良好的铁电性、介电性被广泛应用于微波、存储等领域［2－5］．STO 在室温下为立方晶系结构，在300 K温度下的晶格常量a＝0．390 5 nm．按基础科学研究观点，由于STO是显示出强的电子－声子相互作用的典型的钙钛矿氧化物，STO是研究氧化物的表面和界面的最佳材料，其电特性可通过电子掺杂而改变，例如改变氧含量，用Nb部分替代Ti或La部分替代Sr．从导电性能上看，STO可以通过掺杂从绝缘体变化成n型半导体，高掺杂后可变成金属性的导电体，如室温下，Nb掺杂质量分数为1%的NSTO电阻率约为2×10－3Ω·cm，电阻随温度的变化为金属行为［6－8］．

2 金属与半导体的两种接触：肖特基结和欧姆结

当1块金属和1块半导体接触，能量达到平衡时，其费米能级一定要连续．图1为n型半导体与不同功函数的金属接触成结时能带结构的变化的情况．

图1 n型半导体与不同功函数的金属接触成结时能带结构的变化情况

当金属功函数Φm大于半导体的功函数Φs，电子从半导体流入金属，直到平衡．此时费米能级连续通过结，这是由于接近结的半导体中的电子离开施主进入金属的结果．这个过程在半导体接近结的部分形成耗尽层．此时离子化的施主形成了正的空间电荷区．金属一边接触面形成负的表面电荷．电子继续流动，直到双电子层建立了足够强的电场，阻止电子继续运动，从而造成了在半导体一边能带向上弯曲，形成高的势垒（Φm－Φs）e V［见图1（a）］，这种结称为肖特基结．此时由于热运动，只有极少数电子从金属流向半导体；相似于金属，半导体导带里只有极少的电子有足够能量越过势垒进入金属，也就是说在平衡时二类电流相等，没有净电流通过结［1］．

如果金属的功函数Φm小于半导体功函数Φs，则情况完全不同．电子将从金属流向半导体，引起表面电荷积累直到平衡时费米能级连续通过结，最终电场导致半导体的能带下降弯曲．在这种情况下，结处无势垒，电子通过结“来去”自由，它取决于外加电场的正负符号，这种结称为欧姆结［1］［见图1（b）］．

3 Au与 Nb0．7%－Sr TiO3 肖特基结的制备

用磁控溅射方法在Nb0．7%－Sr TiO3基片上制作Au薄膜接触．所用的单晶NSTO基片单面抛光，尺寸3 mm×5 mm×0．5 mm，溅射在室温下、0．4 Pa的Ar气氛保护下完成的，在沉积之前，基片采用化学清洗，用铝泊做掩膜，在基片的抛光面上，沉积出1 mm2方形电极．沉积出的金属薄膜厚度约为200～250 nm．快速氧气退火的温度为750℃，时间为30 min．外连电极由金线和银胶制作，另一电极则由在NSTO基片直接压In构成，电极间距大于2 mm，图2显示的是测量的示意图．

图2 测量示意图

4 数据分析与势垒的计算

图3是 Au／NSTO 的I－V 特 性 曲 线，用Keithley 2400测量．在正向电压为2 V时电流为10．3 m A，而在反向电压为2 V时电流只有3．9 n A．这种不对称说明肖特基势垒在 Au／NSTO界面形成，并具有较好的肖特基结的整流特性．肖特基二极管中占主导的热发射电流可表述为

式中：

其中

这里Rs是整个回路的电阻，n是理想因子，I0是饱和电流，A是界面结的面积，A＊是有效质量的Richardson常量，k是玻耳兹曼常量，Φb是肖特基结的势垒高度，m＊＝1．3m0，m0是电子静质量．把I－V数据代入式（1）便可得到肖特基势垒Φb和理想因子n．假定A＊＝120 A／cm2（也就是认为电子的有效质量等于自由电子的质量）［9－10］．利用式（1），图3中的正向I－V曲线可得室温下n为1．37，Φb约为1．61 eV，显示了室温下该肖特基界面结中完美的热发射电流．

图3 Au／NSTO的I－V 特性曲线

图4是Au／NSTO在100 k Hz及1 k Hz频率下的C－V 特性曲线，用NF ZM2353测量．对稳定载流子浓度的肖特基二极管，C－2与V成线性关系：

这里ε（ε＝320ε0）是 NSTO的相对电容率［4］，Vbi是自建电势，如此便可从C－2－V线的斜率得出载流子浓度，直线与电压轴线的交点确定Vbi．势垒高度可由下式求得：

这里 Nc＝2．0×1020cm－3导带的有效态密度［4，10］．这样利用图4的数据可计算得到势垒高度Φb在100 k Hz及1 k Hz频率下为1．56 e V及1．45 e V．

数据结果证明，制备的肖特基结具有较高的势垒高度，整流特性和电容特性都是非常理想的．

图4 Au／NSTO在100 k Hz和1 k Hz频率下的C－V特性曲线

5 结束语

本文在NSTO基片上采用磁控溅射方法制备金薄膜，并在氧气气氛中高温退火，可获得理想的肖特基结，测量结的I－V 和C－V 等特性曲线，运用相关的理论公式分析计算所制备结的势垒高度．另外该类实验简单易行，重复性很好，将肖特基结的制备与物性研究结合起来，开阔科学思维，激发科研兴趣，促进研究型实验的开展．

［1］ Rhoderick E H．金属半导体接触［M］．北京：科学出版社，1984：25．

［2］ Yamada H，Miller G R．Point defects in reduced strontium titanate ［J］．J．Solid State Chem．，1973，6（1）：169－177．

［3］ Balachandran U，Eror N G．Development of Sr TiO3base GBBL［J］．J．Electrochem．Soc．，1982，129：1021－1027．

［4］ Buru I，Neirman S．Dielectric properties of donordoped polycrystalline Sr TiO3［J］．J．Mat．Sci．，1982，17：3510－3524．

［5］ Chan N H，Sharma R K，Smyth D M．Nonstichiometry in Sr TiO3［J］．J．Electrochem．Soc．：Solid－State Sci．and Tech．，1981，128（8）：1762－1769．

［6］ Balachandran U，Eror N G．Electiacal conductivity in lanthanum－doped strontium titanate［J］．J．Electrochem．Soc．：Solid－State Sci．and Tech．，1982，129（5）：1021－1026．

［7］ Eror N G，Balachandran U．Electrical conductivity in strontium titanate with nonideal cationic ratio［J］．J．Solid State Chem．，1982，42（3）：227－241．

［8］ Cui Y M，Zhang L W，Wang R M，et al．Investigation of metal contacts to Nb－1．0 wt．%－doped Sr TiO3［J］．Mater．Sci．Eng．B，2007，138：214－218．

［9］ Schooley J F，Hosler W R，Ambler E，et al．Dependence of the superconducting transition temperature on carrier concentration in semiconducting Sr－TiO3［J］．Phys．Rev．Lett．，1965，14：305－308．

［10］ Szot K，Speier W，Carius R，et al．Localized metallic conductivity and self－healing during thermal reduction of Sr TiO3［J］．Phys．Rev．Lett．，2002，88（7）：5508－5511．