一文详解肖特基接触和欧姆接触

肖特基接触（Schottky contact）是指金属与半导体材料相接触时，在界面处半导体的能带弯曲，形成一个势垒，称为肖特基势垒。这个势垒可以控制电子的流动，从而实现电流的整流和调制。由于功函数差导致界面处形成势垒，使得电流电压关系呈非线性。

欧姆接触（Ohmic contact）则是指金属与半导体接触时，接触面的电阻很小，电流电压关系呈线性，不产生明显的附加阻抗。在欧姆接触中，金属与半导体之间没有形成明显的势垒，电子可以自由地通过金属和半导体。

肖特基接触的形成机理是什么？

肖特基接触的形成机理主要涉及以下几个方面：

费米能级钉扎：当金属与半导体接触时，由于能带结构的差异，电子会从能量较高的半导体流向能量较低的金属。在半导体中留下正电中心，这种现象类似于pn结中的情况。费米能级的钉扎是肖特基势垒形成的主要原因，而费米能级钉扎则源于界面新相的形成或界面极化键的存在。

界面层的影响：金属与半导体之间的界面层会影响肖特基势垒的高度（SBH）。界面层的存在使得SBH对功函数的依赖减弱，并且SBH与外加偏压有关

多种因素的影响：除了费米能级钉扎和界面层外，其他因素如界面晶向、原子结构、化学键和结构不完整性等也会导致SBH的空间不均匀。

电荷流动：肖特基势垒的变化与界面电荷流动密切相关。随着层间距的增加，界面电荷转移越来越弱，导致费米能级向上平移，从而影响肖特基势垒的类型（由p型接触向n型转变）。

肖特基接触的形成机理主要包括费米能级钉扎、界面层的影响以及多种因素的综合作用。

欧姆接触在不同材料之间的表现有何差异？

欧姆接触在不同材料之间的表现存在显著差异，主要体现在接触电阻率、金属选择和退火条件等方面。

金属与半导体的欧姆接触：

在金属Al和Ni与Si衬底上外延生长的p型Ge和n型Ge材料之间，欧姆接触的比接触电阻率较高，这制约了Si基Ge器件的性能。

对于p-GaN材料，由于难以获得高空穴浓度的p-GaN和缺少合适的金属体系，很难实现低比接触电阻率的欧姆接触。此外，不同厚度的Ni电极在不同退火温度和气氛下对p-GaN的欧姆接触性能也有影响。

宽带隙半导体的欧姆接触：

在AlGaN、GaN等宽带隙半导体上制备低电阻的欧姆接触较为困难，因为这些材料的带隙较窄，通常需要优化退火工艺来改善接触性能。可以参考文章GaN的欧姆接触实验

碳化硅（SiC）的欧姆接触：

SiC材料中p型杂质的离化能比n型杂质的离化能高，优质的p型SiC欧姆接触更难于形成。传统Al基金属体系和非传统Al基金属体系在p型SiC材料上形成欧姆接触的研究表明，选择合适的金属和优化退火条件是关键。

其他材料的欧姆接触：

石墨烯与金属的欧姆接触研究显示，载流子从金属进入石墨烯的过程复杂，且难以考虑半导体材料薄膜电阻的影响。

不同材料之间的欧姆接触表现差异主要体现在接触电阻率、金属选择和退火条件等方面。

如何测量和计算肖特基势垒和欧姆接触的特性？

测量和计算肖特基势垒和欧姆接触的特性可以通过以下几种方法：

热激活法：

热激活法可以用来测定肖特基势垒二极管的品质因子n和串联电阻R。正确测量的条件包括检查肖特基势垒二极管的伏安特性

通过热激活法还可以测定理查逊常数A和肖特基势垒高度qφb。

电流-电压（IV）特性曲线：

通过IV特性曲线可以确定平带势垒高度，进而计算出肖特基势垒高度。

实验中，将电流作为非线性函数进行拟合，可以得到非常接近实际情况的势垒高度。

循环伏安法（CV法）：

CV法是一种常用的方法来测定肖特基势垒高度。通过CV曲线，可以定义势垒高度的一个简单表达式：ϕbc=nϕb0-(n-1)(ϕs+V2)，其中ϕb0是平带势垒高度，ϕs是表面态势垒高度，V2是施加电压。

原子分辨方法：

这种方法基于原子特定的部分态密度（pdos）计算，进一步实现了与电导测量一致的有效肖特基势垒高度（sbh）的计算。这种方法可以用于研究金属-半导体异质结处sbh的变化。

欧姆接触电阻率的测量和计算：

测量和计算金属-半导体欧姆接触电阻率的方法包括矩形传输线模型、圆点传输线模型和多圆环传输线模型等。

圆形一般会比矩形传输线模型准确一些。

肖特基接触与欧姆接触在现代电子设备中的应用有哪些区别和联系？

肖特基接触与欧姆接触在现代电子设备中的应用有显著的区别和联系。

从定义上看，肖特基接触是指金属和半导体材料相接触时，在界面处半导体的能带弯曲，形成肖特基势垒，导致大的界面电阻。这种接触具有整流特性，即电流只能在一个方向上流动。相反，欧姆接触是指在接触处没有或仅有非常小的势垒，使得载流子可以自由流动，从而实现低电阻的导电路径。欧姆接触的理想状态是电阻越小越好，这样大部分电压降会出现在活动区而不是接触面。

在实际应用中，这两种接触方式的应用场景也有所不同。肖特基接触由于其整流特性，常用于需要单向导电的场合，如二极管和整流器。而欧姆接触则广泛应用于需要高导电性的场合，如晶体管的源极和漏极之间的连接。

此外，肖特基接触和欧姆接触之间存在一定的联系。例如，在某些二维材料中，很难形成固有的欧姆接触，因此研究者常常采用肖特基接触作为替代方案。同时，通过调控材料的费米能级位置，可以实现从肖特基接触向欧姆接触的过渡。

总之，肖特基接触和欧姆接触在现代电子设备中各有其独特的应用场景和优势。肖特基接触适用于需要整流特性的场合，而欧姆接触则适用于需要高导电性的场合。

肖特基接触和欧姆接触对电路设计有哪些具体影响？

肖特基接触和欧姆接触对电路设计有显著的不同影响。

肖特基接触：

电流输运机理：肖特基接触的电流输运主要通过热电子发射（thermionic emission, TE）和热电子场发射（thermoelectric field emission, TFE）机制进行。这些机制在光伏器件、高速集成电路和微波技术等领域中非常重要。

势垒高度：肖特基接触的势垒高度对隧道电流的大小有重要影响。不同的金属功函数会影响器件的伏安特性，例如功函数增加会导致漏极电流减小。

直接隧穿效应：在高温、高频、大功率等应用中，肖特基接触的直接隧穿效应会显著影响器件性能。

材料选择：不同材料的肖特基接触特性也有所不同，例如Cu与IGZO的肖特基接触特性会随AlOx隧穿层厚度变化而变化。

欧姆接触：

电阻率：欧姆接触的电阻率是设计中的一个关键参数。例如，在SiC MOSFET设计中，N型欧姆接触电阻率低于1E-4mOhm·cm时，可以设计较窄的源极区而不增加器件导通电阻。

退火温度：退火温度对欧姆接触性能有重要影响。温度过高或过低都会导致电阻率的增加和电流的减小。

电压降：欧姆接触的电压降远小于器件任何作用区的电压降，其电流-电压特性在正反两个方向偏置下都呈线性，这种非常小的电压降的存在，对半导体器件特性的影响一般可以忽略。