Оми́ческий конта́кт — контакт между металлом и полупроводником или двумя разнородными полупроводниками, характеризующийся линейной и симметричной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Если ВАХ асимметрична и нелинейна, то контакт в той или иной мере является выпрямляющим (например, является контактом с барьером Шоттки, на основе которого создан диод Шоттки). В модели барьера Шоттки выпрямление зависит от разницы между работой выхода металла и электронного сродства полупроводника.

Однако на практике, в большинстве случаев, контакты металл — полупроводник не следуют точно модели Шоттки, так как наличие внешних поверхностных состояний на границе раздела металла и полупроводника (например, плёнки и частицы оксидов и дефекты кристаллической структуры) может сделать поведение контакта практически не зависящим от разницы между работой выхода металла и электронного сродства полупроводника к электрону. В производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем для создания омического контакта подконтактную область полупроводника дополнительно сильно легируют (например, применяют повышенное легирование донорной примесью пластин кремния n-типа при применении алюминия в качестве металла в контакте; сильно легированный слой кремния обозначается n⁺). При этом толщина области пространственного заряда барьера Шоттки становится настолько малой, что через неё возможно туннелирование носителей заряда (полевая эмиссия). Такие сильно легированные области структуры обычно обозначают p⁺ — для полупроводника с дырочным типом проводимости и n⁺ — полупроводника с электронной проводимостью.

Уровни Ферми (или, строго говоря, электрохимический потенциал) любых двух твёрдых тел при их контакте в тепловом равновесии должны быть равны. Разница между энергией Ферми и уровнем вакуума называется работой выхода. Металл и полупроводник могут иметь различные работы выхода, которые обозначаются ${\displaystyle \phi _{\text{M))}$ и ${\displaystyle \phi _{\text{S))}$ соответственно. Когда два материала приводятся в контакт, электроны перетекают из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода до достижения равновесия уровней Ферми. В результате материал с более низкой работой выхода приобретает небольшой положительный заряд, в то время как материал с более высокой работой выхода становится отрицательно заряженным. Образовавшийся электростатический потенциал называется контактной разностью потенциалов и обозначается ${\displaystyle V_{\text{bi))}$. Этот контактный потенциал образуется между любыми двумя твёрдыми веществами и является основной причиной выпрямления в диодах. Встроенное поле является причиной изгиба границ зон в полупроводнике вблизи перехода. В большинстве металлов не происходит столько-нибудь заметного изгиба границ зон из-за малой длины экранирования, такой, что электрическое поле распространяется только на небольшое расстояние за пределы границы раздела.

В рамках классического представления для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер, носители в полупроводнике должны получить достаточно энергии для прыжка от уровня Ферми до верхней части изгиба зоны проводимости. Необходимая для преодоления барьера энергия ${\displaystyle \phi _{\text{B))}$ равна сумме встроенного потенциала и смещения между уровнем Ферми и зоной проводимости. Иными словами, для полупроводников n-типа эта энергия будет:

${\displaystyle \phi _{\text{B))=\phi _{\text{M))-\chi _{\text{S)),}$

где ${\displaystyle \chi _{\text{S))}$ — сродство к электрону полупроводника, определяемое как разница между уровнем вакуума и дном зоны проводимости (CB).

Для полупроводников р-типа энергия определяется сходным образом:

${\displaystyle \phi _{\text{B))=E_{\text{g))-(\phi _{\text{M))-\chi _{\text{S))),}$

где ${\displaystyle E_{\text{g))}$ ширина запрещённой зоны.

Процесс в котором носитель заряда получает энергию для преодоления энергетического барьера за счёт тепловой энергии, называется термоэлектронной эмиссией. Не менее важным процессом в реальных контактах является квантово-механическое туннелирование. Квазиклассическим приближением описывается простейший случай туннелирования, при котором вероятность проникновения через барьер обратно пропорциональна экспоненте произведения высоты барьера и его толщины^[1]. В случае контактов толщина задаётся шириной области объёмного пространственного заряда (ОПЗ), которая соразмерна глубине проникновения в полупроводник присоединённого поля. Ширина ОПЗ может быть вычислена путём решения уравнения Пуассона и с учётом наличия примесей в полупроводнике:

${\displaystyle \nabla ^{2}V={\frac {\rho }{\varepsilon )),}$

где (в единицах МКС) ${\displaystyle \rho }$ — это плотность заряда,

${\displaystyle \varepsilon }$ — диэлектрическая проницаемость.

Рассматривается одномерный случай, так как граница раздела считается плоской. Интегрируя уравнение один раз, и, считая приближённо, что на глубине больше ширины ОПЗ плотность заряда постоянна, получаем:

${\displaystyle {\frac {dV}{dx))={\frac {\rho x}{\varepsilon ))+C_{0}.}$

Постоянная интегрирования ${\displaystyle C_{0}=-\rho W/\varepsilon }$ по аналогии с определением ширины ОПЗ может быть определена как длина, на которой граница раздела полностью экранирована. Затем:

${\displaystyle V(x)={\frac {\rho }{2\varepsilon ))x^{2}-{\frac {\rho W}{\varepsilon ))x+V_{bi},}$

где то, что ${\displaystyle V(0)=V_{\text{bi))}$, было использовано для определения оставшейся постоянной интегрирования. Это уравнение ${\displaystyle V(x)}$ описывает пунктирные синие кривые в правой части рисунка. Ширину ОПЗ можно определить, установив ${\displaystyle V(W)=0}$, что приводит к:

${\displaystyle W={\sqrt {\frac {2\varepsilon V_{\text{bi))}{\rho ))}.}$

Для ${\displaystyle 0<x<W}$ концентрация заряда ионизованных доноров и акцепторов в полностью истощённом полупроводнике ${\displaystyle \rho =eN_{\text{dopant))}$. При этом ${\displaystyle \rho }$ и ${\displaystyle V_{\text{bi))}$ имеют положительные знаки для полупроводников n-типа и отрицательные знаки для р-типа, что даёт положительный изгиб ${\displaystyle V''(x)}$ для n- и отрицательной изгиб для р-типа, как показано на рисунках.

Отсюда, казалось бы, следует вывод, что высота барьера (зависящая от сродства к электрону и приповерхностного поля) и толщина барьера (зависящая от встроенного поля, диэлектрической проницаемости полупроводника и концентрации легирующей примеси) могут быть изменены только путём замены металла или изменения концентрации легирующей примеси. Однако замечено, что уровень Ферми устанавливается примерно при той же энергии внутри запрещённой зоне и для n- и р-типов Si (то есть сумма ${\displaystyle \phi _{\text{bn))}$ и ${\displaystyle \phi _{\text{bp))}$ примерно ${\displaystyle E_{\text{g))}$). Предположительно на положение уровня Ферми влияет состояние границы раздела и структурные факторы из-за очень высокой плотности поверхностных состояний. Отметим, что для омических контактов обычно не нужно беспокоиться о незначительном изменении характеристик омического контакта со временем, потому что в большинстве случаев на контакте падает очень небольшое напряжение.

В общем случае металл для контакта выбирается с учётом свойств проводимости, химической инертности, термической стабильности, электрической стабильности и низкого уровня термических напряжений, а затем увеличивают плотность легирования под контактом, чтобы сузить ширину области барьера. К полупроводникам с более низкими эффективными массами носителей заряда легче создать омический контакт, так как коэффициент туннелирования экспоненциально зависит от массы носителя заряда. Кроме того, полупроводники с меньшей шириной запрещённой зоны легче образуют омические контакты, потому что их сродство к электрону (и, следовательно, высота потенциального барьера), как правило, ниже.

Несмотря на то, что простая теория, изложенная выше, предсказывает, что металлы, чья работа выхода близка к сродству к электрону полупроводника, должны наиболее легко образовывать омические контакты, на самом деле металлы с высокой работой выхода лучше образуют невыпрямляющие контакты с полупроводниками р-типа, в то время как металлы с низкими работами выхода лучше образуют невыпрямляющие контакты с полупроводниками n-типа. К сожалению, эксперименты показали, что предсказательная сила упрощённой модели не распространяется далеко за пределы этого явления. В реальных условиях металл контакта может реагировать с поверхностью полупроводников с образованием соединений с иными электронными свойствами. Слой загрязнений на границе раздела может эффективно расширить барьер. Поверхность полупроводника может реконструироваться, что приводит к новым электронным свойствам. Сопротивление контакта зависит от особенностей межфазных реакций, что делает воспроизводимое изготовление омических контактов существенной технологической проблемой^[2][3][4].

Несмотря на то, что процесс изготовления омических контактов является одним из базовых и хорошо изученных (по крайней мере на кремнии), в нём, тем не менее остаётся что-то от искусства. Воспроизводимость, надёжность изготовленных контактов опирается на крайнюю чистоту поверхности полупроводника. С естественным оксидом кремния SiO₂, быстро образующимся на поверхности кремния, свойства полученных контактов могут быть очень чувствительны к деталям процесса формирования контактов.

Основными шагами в изготовлении контакта являются очистка поверхности полупроводника, осаждение контактной металлизации, структурирование и отжиг. Очистка поверхности может быть выполнена травлением-распылением, химическим травлением, реактивным газовым травлением или ионным травлением. Например, естественный оксид кремния может быть удалён с помощью травления в плавиковой кислоте (HF), в то время как поверхность арсенида галлия (GaAs) чаще очищают бром-метанольным травлением. После очистки поверхности металлы осаждаются путём напыления, испарения или химического осаждения из паровой фазы (CVD). Распыление является более быстрым и удобным методом осаждения металла, чем испарение, однако ионная бомбардировка из плазмы может вызвать поверхностные состояния или даже инвертировать тип проводимости на поверхности. В связи с этим мягкий, но все ещё сравнительно быстрый CVD наиболее предпочтителен. Придание необходимой формы контактам осуществляется стандартным фотолитографическим процессом, в частности, по методу срывной фотолитографии, где металл наносится через отверстия в слое фоторезиста, который затем смывается. После осаждения в большинстве случаев производят отжиг контактов для снятия внутренних механических напряжений, а также для осуществления нужной твердофазной реакции между металлом и полупроводником.

Измерение сопротивления контактов чаще всего осуществляется на специальных тестовых структурах по одной из модификаций метода длинной линии (TLM)^[5], четырёхточечным методом^[6] либо методом Кельвина, выбор конкретного метода зависит от соотношения контактного сопротивления и удельного сопротивления плёнки полупроводника и от деталей фотолитографического процесса.

Современные омические контакты к кремнию, такие как дисилицид титана-вольфрама, либо другие соединения, как правило, силициды создаются методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). Контакты часто изготавливаются путём осаждения переходного металла и образования силицидов в процессе отжига, в результате чего состав силицида может быть нестехиометрическим. Силицидные контакты также могут быть сформированы методом прямого распыления соединения или методом ионной имплантации переходного металла с последующим отжигом. Алюминий является ещё одним важным металлом для кремниевой технологии, который можно использовать с любым (n- и p-) типом полупроводника. Как и у других активных металлов, Al способствует формированию контакта, связывая кислород в оксид и тем самым «раскисляя» границу раздела, что способствует хорошей металла адгезии к кремнию. Силициды, в значительной степени вытесняют алюминий отчасти потому, что они более тугоплавкие соединения и в меньшей степени подвержены паразитной диффузии (что приводит к деградации структуры), особенно в течение циклов последующей технологической высокотемпературной обработки.

Формирование контактов к полупроводниковым соединениям значительно сложнее, чем к кремнию. Например, поверхности GaAs имеют тенденцию к потере мышьяка (As), что может значительно усиливаться при осаждении металла. Кроме того, неустойчивость As ограничивает параметры последующего отжига, от чего деградируют GaAs приборы. Одно из решений для GaAs и других полупроводниковых соединений — нанесение в качестве контактного слоя сплава с узкой шириной запрещённой зоны, в отличие от сильнолегированного слоя на кремнии. Например, GaAs сам по себе имеет меньшую, чем у AlGaAs ширину запрещённой зоны, таким образом слой GaAs на его поверхности может облегчить создание омического контакта. В целом технология омических контактов на III—V и II—VI полупроводниках гораздо менее развита, чем на кремнии.

Прозрачные или полупрозрачные омические контакты необходимы для производства активной матрицы ЖК-дисплеев, оптоэлектронных устройств, таких как лазерные диоды и солнечные батареи. Самый обычный материал таких контактов — оксид индия и олова (ITO, indium tin oxide), образующегося реактивным распылением In-Sn мишени в кислородной атмосфере.

Постоянная времени RC-цепи, которую образует контактное сопротивление и паразитная ёмкость полупроводниковой структуры может ограничить частотные характеристики устройств. В процессе зарядки-разрядки паразитной ёмкости проводников и p-n переходов контактное сопротивление является одной из основных причин рассеяния мощности в цифровой электронике с высокой рабочей тактовой частотой. Контактное сопротивление вызывает рассеяние мощности за счёт выделения джоулева тепла также в низкочастотных и аналоговых схемах (например, солнечных батареях) из менее распространенных полупроводников. Создание методики изготовления контактов является важной частью технологической разработки новых полупроводников. Электромиграция и расслоение в контактах также являются факторами, ограничивающими срок службы электронных устройств.

• Sze, S.M. Physics of Semiconductor Devices (неопр.). — John Wiley & Sons, 1981. — ISBN 0-471-05661-8.
• Zangwill, Andrew. Physics at Surfaces (неопр.). — Cambridge University Press, 1988. — ISBN 0-521-34752-1.