Un contacto óhmico es una unión eléctrica no rectificadora : una unión entre dos conductores que tiene una curva de corriente-voltaje (I–V) lineal como la de 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 debido a la rectificación o la disipación excesiva de potencia debido a los umbrales de voltaje.
Por el contrario, una unión o contacto que no muestra una curva I–V lineal se denomina no óhmico. Los contactos no óhmicos vienen en varias formas, como unión p–n , barrera Schottky , heterojunción rectificadora o unión de ruptura .
En general, el término "contacto óhmico" se refiere implícitamente a un contacto óhmico de un metal con un semiconductor, donde lograr una resistencia de contacto óhmico es posible pero requiere una técnica cuidadosa. Los contactos óhmicos metal-metal son relativamente más simples de hacer, al asegurar el contacto directo entre los metales sin capas intermedias de contaminación aislante, rugosidad excesiva u oxidación ; se utilizan varias técnicas para crear uniones óhmicas metal-metal ( soldadura , soldadura blanda , engarce , deposición , galvanoplastia , etc.). Este artículo se centra en los contactos óhmicos metal-semiconductor.
Los contactos estables en las interfaces de semiconductores, con baja resistencia de contacto y comportamiento lineal I–V, son críticos para el rendimiento y la confiabilidad de los dispositivos semiconductores , y su preparación y caracterización son esfuerzos importantes en la fabricación de circuitos. Las uniones mal preparadas con semiconductores pueden mostrar fácilmente un comportamiento rectificador al causar el agotamiento del semiconductor cerca de la unión, lo que hace que el dispositivo sea inútil al bloquear el flujo de carga entre esos dispositivos y los circuitos externos. Los contactos óhmicos con semiconductores se construyen típicamente depositando películas metálicas delgadas de una composición cuidadosamente elegida, posiblemente seguidas de un recocido para alterar el enlace semiconductor-metal.
Tanto los contactos óhmicos como las barreras Schottky dependen de la altura de la barrera Schottky, que establece el umbral para el exceso de energía que necesita un electrón 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 por 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 al grado predicho. En cambio, la terminación química del cristal semiconductor contra un metal crea estados electrónicos dentro de su brecha de banda . La naturaleza de estos estados de brecha inducidos por el metal y su ocupación por electrones tiende a fijar el centro de la brecha de banda al nivel de Fermi, un efecto conocido como fijación de 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 de 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 funciones de trabajo altas forman los mejores contactos con semiconductores de tipo p, mientras que aquellos con funciones de trabajo bajas forman los mejores contactos con semiconductores de tipo n. Desafortunadamente, los experimentos han demostrado que el poder predictivo del modelo no se extiende mucho más allá de esta afirmación. En condiciones realistas, 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 ampliar efectivamente la barrera. La superficie del semiconductor puede reconstruirse dando lugar a un nuevo estado electrónico. La dependencia de la resistencia de contacto de los detalles de la química interfacial es lo que hace que la fabricación reproducible de contactos óhmicos sea un desafío de fabricación.
La fabricación de contactos óhmicos es una parte muy estudiada de la ingeniería de materiales que, no obstante, sigue siendo un arte. La fabricación reproducible y fiable de contactos depende de la extrema limpieza de la superficie del semiconductor. Dado que un óxido nativo se forma rápidamente en la superficie del silicio , por ejemplo, el rendimiento de un contacto puede depender sensiblemente de los detalles de la preparación. A menudo, la región de contacto está muy dopada para garantizar el tipo de contacto deseado. Por regla general, los contactos óhmicos en semiconductores se forman más fácilmente cuando el semiconductor está muy dopado cerca de la unión; un alto nivel de dopaje estrecha la región de agotamiento en la interfaz y permite que los electrones fluyan en ambas direcciones fácilmente en 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 de los semiconductores, la deposición del metal de contacto, el modelado y el recocido. La limpieza de la superficie se puede realizar mediante grabado por pulverización catódica, grabado químico, grabado con gas reactivo o fresado iónico. Por ejemplo, el óxido nativo de silicio se puede eliminar con una inmersión en ácido fluorhídrico , mientras que el GaAs se limpia más típicamente mediante una inmersión en bromo-metanol. Después de la limpieza, los metales se depositan mediante deposición catódica , evaporación o deposición química en fase de vapor (CVD). La deposición catódica es un método más rápido y más conveniente de deposición de metales que la evaporación, pero el bombardeo de iones del plasma puede inducir estados superficiales o incluso invertir el tipo de portador de carga en la superficie. Por esta razón, se puede utilizar la CVD, más suave pero aún rápida. El recocido posterior a la deposición de los contactos es útil para aliviar la tensión, así como para inducir cualquier reacción deseada entre el metal y el semiconductor.
Como los metales depositados pueden reaccionar en condiciones ambientales, en detrimento de las propiedades eléctricas de los contactos, es común formar contactos óhmicos con estructuras en capas, siendo la capa inferior, en contacto con el semiconductor, elegida 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 puntos, aunque para una determinación más precisa, lo habitual es utilizar el método de línea de transmisión .
El aluminio fue originalmente el metal de contacto más importante para el silicio, que se utilizaba con semiconductores de tipo n o de tipo p. Al igual que con otros metales reactivos, el aluminio contribuye a la formación de contactos al consumir oxígeno de los residuos de dióxido de silicio nativos. El aluminio puro sí reaccionó con el silicio, por lo que fue reemplazado por aluminio dopado con silicio y, finalmente, por siliciuros menos propensos a difundirse durante el procesamiento posterior a alta temperatura.
Los contactos óhmicos modernos con silicio, como el disiliciuro de titanio y tungsteno, suelen ser siliciuros fabricados mediante deposición química de vapor (CVD). Los contactos se suelen realizar depositando el metal de transición y formando el siliciuro mediante recocido , con el resultado de que el siliciuro puede no ser estequiométrico . Los contactos de siliciuro también se pueden depositar mediante pulverización catódica directa del compuesto o mediante implantación iónica del metal de transición seguida de recocido.
La formación de contactos con semiconductores compuestos es considerablemente más difícil que con silicio. Por ejemplo, las superficies de GaAs tienden a perder arsénico y la tendencia a la pérdida de As puede verse considerablemente exacerbada por la deposición de metal. Además, la volatilidad del As limita la cantidad de recocido posterior a la deposición que tolerarán los dispositivos de GaAs. Una solución para GaAs y otros semiconductores compuestos es depositar una capa de contacto de aleación de banda prohibida baja en lugar de una capa muy dopada. Por ejemplo, el propio GaAs tiene una banda prohibida menor que el AlGaAs y, por lo tanto, una capa de GaAs cerca de su superficie puede promover el comportamiento óhmico. En general, la tecnología de contactos óhmicos para semiconductores III-V y II-VI está mucho menos desarrollada que para 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 reactiva de un objetivo de In-Sn en una atmósfera de óxido.
La constante de tiempo RC asociada con la resistencia de contacto puede limitar la respuesta de frecuencia de los dispositivos. La carga y descarga de la resistencia de los cables es una de las principales causas de disipación de potencia en la electrónica digital de alta frecuencia de reloj . 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 una parte fundamental del desarrollo tecnológico de cualquier semiconductor nuevo. La electromigración y la delaminación en los contactos también son una limitación en la vida útil de los dispositivos electrónicos.