Metal-Semiconductor junction (금속-반도체 접합) (1) -Schottky contact

pn junction diode를 기반으로한 MOSFET, LED, PV와 같은 반도체 소자를 만들 때 금속(metal)과 반도체(semiconductor)간의 접합은 필수이다. 소자의 핵심 특성을 결정하는 active material는 semiconductor을 사용하며, 소자에 전압을 걸어주고 전류가 원활하게 흐를 수 있게하는 연결부인 전극(electrode)은 전도성이 뛰어난 금속을 사용하기 때문이다.

이때 소자가 정상적으로 작동하도록 하고 접합면에서 발생하는 현상을 예측하기 위해서는 이런 metal과 semiconductor의 접합 원리를 이해하는 것이 매우 중요하다. 이러한 contact의 종류에는 크게 schotty contact과 ohmic contact의 두가지 경우가 존재한다.

Schotty contact (with n-type semiconductor)

Schotty contact는 rectifying contact이라고도하며, n-type semiconductor의 경우 metal의 work function이 semiconductor의 work function보다 큰 경우의 접합을 의미한다.

다음은 metal과 n-type semiconductor을 접하하기 전 각각의 에너지 레벨 상태이다.

접합을 하고 나면 fermi level의 준위가 align되면서 각각의 energy band에 변화가 일어나게 된다.

Metal의 fermi level이 semiconductor의 fermi level보다 낮으므로 semiconductor의 전자들이 더 낮은 에너지 상태를 가지는 metal로 확산된다. 이렇게 되면 n-type semiconductor에 fixed donor 양이온이 생기게 되며 metal로 넘어간 전자와 양이온이 depletion reigon을 형성하게 된다.

결국 둘의 fermi level이 일치하게 될 때까지 이 현상이 지속되며 depletion region에는 반도체의 전자가 금속으로 확산되는것을 방해하는 elelctrical field가 형성되게 된다. n-type 반도체의 확산을 막는 barrier는 metal과 semiconductor의 work function의 차이 만큼의 크기를 가지게 되며, metal에서 semiconductor로 넘어가지 못하도록 형성된 barrier를schottky barrier라고 한다.

이때 schottky barrier는 metal의 work function과 semiconductor의 electron affinity의 차이로 정의된다.

이렇게 depletion region이 형성 된 소자는 diode처럼 동작한다. 즉, 한쪽으로만 전류를 흐르게하며 이는 metal에서 semiconductor로의 전자의 이동을 막는 schottky barrier 때문이다.

이 상태에서 foward bias (n-type semiconductor쪽에 negative, metal쪽에 positive bias)를 걸어주게 되면 semiconductor쪽의 fermi level이 올라가면서 energy barrier가 낮아지게 되면서 전류가 흐를 수 있게 된다.

반면 reverse bias를 걸어주게 되면 전류가 흐를 수 없게 된다. 이러한 이유 때문에 schottky diode이자 rectifying(정류) contact라고 부르기도 한다.

Schotty contact (with p-type semiconductor)

p-type semiconductor과 metal의 schotty contact는 n-type의 경우와는 반대로 metal의 work function 보다 semiconductor의 work function이 커야한다.

이때 마찬가지로 foward bias가 가해지는 경우 p-type semiconductor에 존재하는 hole이 낮아진 energy barrier를 넘어 흐를 수 있게 되지만 reverse bias의 경우엔 흐를 수 없게 된다.