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'''金属-半導体接合'''([[英語|英]]：'''Metal–semiconductor junction''')とは、[[金属]]と[[半導体]]が緊密に接触する[[接合]]の一種を示す[[固体物理学]]の用語である。この接合は最も古い実用的な[[半導体デバイス]]で用いられている。金属-半導体接合は、[[整流]]作用があるものと無いものに分類される。整流作用がある金属-半導体接合は[[ショットキー障壁]]を形成しており、[[ショットキーダイオード]]で用いられる。整流作用が無い金属-半導体接合は[[オーミックコンタクト]]と呼ばれる<ref>''Semiconductor Devices: Modelling and Technology'', Nandita Dasgupta, Amitava Dasgupta.(2004) {{ISBN2|81-203-2398-X}}.</ref>。（整流作用がある[[ヘテロ接合 (半導体)|半導体-半導体接合]]は[[pn接合]]として知られる。）

[[オーミックコンタクト]]は電荷が[[トランジスタ]]と外部回路との間を容易に移動できるため、通常はオーミックコンタクトが好ましい。しかし[[ショットキーダイオード]]、[[ショットキートランジスタ]]、金属-半導体電界効果トランジスタ（[[MESFET]]）などは[[ショットキー障壁]]が用いられている。

== ショットキー障壁高さ ==
[[File:Schottky barrier zero bias.svg|thumb|ゼロバイアス（熱平衡状態）での金属-半導体接合の[[バンドダイアグラム]]。n型半導体における'''ショットキー障壁高さ'''Φ<sub>B</sub>は、界面での[[伝導帯]]端''E''<sub>C</sub>と[[フェルミ準位]]''E''<sub>F</sub>との差で定義される]]
金属-半導体接合がオーミックコンタクトとショットキー障壁のどちらを形成するかは、接合のショットキー障壁高さΦ<sub>B</sub>に依存する。ショットキー障壁高さΦ<sub>B</sub>が熱エネルギー ''kT''よりも十分に大きい場合、半導体は金属との界面で[[空乏層]]を形成しており、[[ショットキー障壁]]としてふるまう。ショットキー障壁高さが小さい場合、半導体に空乏層は形成しておらず、[[オーミックコンタクト]]を形成する。

ショットキー障壁高さの定義は、n型半導体とp型半導体とで異なる。n型では伝導帯端とフェルミ準位の差、p型では価電子端とフェルミ準位の差である。
接合の近くでの半導体のバンドのアラインメントは一般的に半導体のドーピングレベルに依存しない。よってn型とp型のショットキー障壁高さについて、理想的な場合は次の関係が成り立つ。
:<math>\Phi_{\rm B}^{(n)} + \Phi_{\rm B}^{(p)} = E_{\rm g}</math>
ここで''E''<sub>g</sub>は半導体の[[バンドギャップ]]である。

実際のショットキー障壁高さは界面内で一定ではない<ref>http://academic.brooklyn.cuny.edu/physics/tung/Schottky/inhomo.htm</ref>。

== ショットキー＝モット則とフェルミレベルピニング ==
{{multiple image
|image1   = Metal semiconductor junction Schottky approximation.svg
|caption1 = '''ショットキー＝モット則'''：接合されると、シリコンの[[仕事関数]]Φが銀の仕事関数にマッチするように、シリコンのバンドが曲がる。バンドは接合上でベンディングを保つ。このモデルは、銀はn型シリコンに対して非常に小さいショットキー障壁を持ち、良いオーミックコンタクトを作るとされる。
|image2   = Metal semiconductor junction Bardeen picture.svg
|caption2 = [[金属誘起ギャップ状態]]からの'''フェルミレベルピニング'''効果を示した図：シリコンのバンドは[[表面状態]]により予め曲がっている。これらは接合の直前に再び曲がる（仕事関数をマッチするため）。しかし接合すると、バンドの曲がり方はAg-Si結合の化学的性質に依存して変化する。<ref>{{Cite journal | last1 = Tung | first1 = R. | doi = 10.1103/PhysRevB.64.205310 | title = Formation of an electric dipole at metal-semiconductor interfaces | journal = Physical Review B | volume = 64 | issue = 20 | year = 2001 | pmid =  | pmc = |bibcode = 2001PhRvB..64t5310T }}</ref>
|footer=銀とn型シリコンの接合の形成モデルの[[バンドダイアグラム]]<ref name="bardeen">{{Cite journal | last1 = Bardeen | first1 = J. | title = Surface States and Rectification at a Metal Semi-Conductor Contact | doi = 10.1103/PhysRev.71.717 | journal = Physical Review | volume = 71 | issue = 10 | pages = 717 | year = 1947 | pmid =  | pmc = |bibcode = 1947PhRv...71..717B }}</ref>。実際はこのショットキー障壁はおよそΦ<sub>B</sub>&nbsp;=&nbsp;0.8&nbsp;eVである。}}

{{see also|en:Metal-induced gap states}}

ショットキー障壁についての'''[[ヴァルター・ショットキー|ショットキー]]＝[[ネヴィル・モット|モット]]則'''は、半導体の真空[[電子親和力]]（または[[イオン化エネルギー]]）と金属の真空[[仕事関数]]の差としてショットキー障壁高さを考える。
:<math>\Phi_{\rm B}^{(n)} \approx \Phi_{\rm metal} - \chi_{\rm semi}</math>
このモデルは真空中の2つの物質を接合する思考実験から導出され、[[半導体-半導体接合]]での[[アンダーソンの法則]]の考えと同様のものである。
多くの半導体で程度の差はあるがショットキー＝モット則が成り立つ。<ref name="tungsys"/>

ショットキー＝モット則では半導体の{{仮リンク|バンドベンディング|en|Band bending}}の存在を予言するが、ショットキー障壁の高さが正しくないことが実験的にわかっている。フェルミレベルピニングと呼ばれる現象は、バンドギャップ中の[[状態密度]]が存在する点をフェルミ準位に固定(ピニング)される。
フェルミ準位のピニングにより、ショットキー障壁高さは金属の仕事関数とほとんど無関係になる。<ref name="tungsys">http://academic.brooklyn.cuny.edu/physics/tung/Schottky/systematics.htm</ref>
:<math>\Phi_{\rm B} \approx \frac{1}{2} E_{\rm bandgap}</math>
ここで''E''<sub>bandgap</sub>は半導体での[[バンドギャップ]]のサイズである。

1947年に[[ジョン・バーディーン]]は、バンドギャップ内のエネルギーを持ち電荷をもつことができる状態が半導体界面に存在すれば、フェルミ準位のピニング現象は自然に生じると考えた。
この状態は、金属との化学結合により誘起される（{{仮リンク|金属誘起ギャップ状態|en|Metal-induced gap states}}）か、真空中の表面ですでに存在していた（{{仮リンク|表面状態|en|Surface states}}）かのどちらかである。
この高密度な表面状態は金属から与えられた多量の電荷を吸収するため、半導体は金属の詳細な性質の影響を受けない。
その結果半導体のバンドは、金属からの影響を受けずに、（高密度なために）フェルミ準位にピニングされた表面状態に対する位置へと曲がりを調整する。<ref name="bardeen"/>

フェルミ準位ピニング効果は多くの商業的に重要な半導体 (Si, Ge, GaAs)で強く<ref name="tungsys"/>、半導体デバイスの設計を難しくする。
例えば、ほとんどすべての金属はn型[[ゲルマニウム]]に対して大きなショットキー障壁を作り、p型ゲルマニウムにはオーミックコンタクトを作る。
これは、価電子端が金属のフェルミ準位に強くピニングされているためである。<ref>{{Cite journal | last1 = Nishimura | first1 = T. | last2 = Kita | first2 = K. | last3 = Toriumi | first3 = A. | doi = 10.1063/1.2789701 | title = Evidence for strong Fermi-level pinning due to metal-induced gap states at metal/germanium interface | journal = Applied Physics Letters | volume = 91 | issue = 12 | pages = 123123 | year = 2007 | pmid =  | pmc = |bibcode = 2007ApPhL..91l3123N }}</ref>
これを解決するには、バンドのピニングを取るために中間絶縁層（ゲルマニウムの場合、[[窒化ゲルマニウム]]が用いられる<ref>{{Cite journal | last1 = Lieten | first1 = R. R. | last2 = Degroote | first2 = S. | last3 = Kuijk | first3 = M. | last4 = Borghs | first4 = G. | title = Ohmic contact formation on n-type Ge | doi = 10.1063/1.2831918 | url =https://zenodo.org/record/897811 | journal = Applied Physics Letters | volume = 92 | issue = 2 | pages = 022106 | year = 2008 | pmid =  | pmc = |bibcode = 2008ApPhL..92b2106L }}</ref>)を加える等のプロセスが必要である。

== 歴史 ==
金属-半導体接合の整流特性は、1874年に[[フェルディナント・ブラウン]]が[[銅]]と[[硫化鉄]]半導体に接触した[[水銀]]を用いて発見した。<ref>{{Citation |last=Braun |first=F. |authorlink=Ferdinand Braun |year=1874 |url=https://books.google.com/books?id=YBJbAAAAYAAJ&pg=PA556#v=onepage&q&f=false |title=Ueber die Stromleitung durch Schwefelmetalle |trans-title=On current conduction through metal sulfides |language=German |journal=Annalen der Physik und Chemie |volume=153 |issue=4 |pages=556–563 |doi=10.1002/andp.18752291207|bibcode=1875AnP...229..556B }}</ref>

[[ジャガディッシュ・チャンドラ・ボース]]は1901年に金属-半導体ダイオードの米国特許を申請して、1904年に特許として認められた。{{Wikisource |1=Page:US_Patent_755840_(Bose's_Microwave_Apparatus).djvu/2|2=JC Bose patent}} 
[[グリーンリーフ・ホイッティア・ピカード]]は1906年に[[シリコン]]を用いた点接触整流器の[[特許]]を取得した。
1907年に{{仮リンク|ジョージ・ワシントン・ピアース|en|G. W. Pierce|label=}}は、学術雑誌[[フィジカル・レビュー]]に、[[ダイオード]]の整流特性は多くの半導体上に多くの金属を[[スパッタリング]]することによって作られることを示した論文を発表した。<ref>{{Cite journal | last1 = Pierce | first1 = G. W. | doi = 10.1103/PhysRevSeriesI.25.31 | title = Crystal Rectifiers for Electric Currents and Electric Oscillations. Part I. Carborundum | journal = Physical Review |series=Series I | volume = 25 | pages = 31 | year = 1907 | pmid =  | pmc = |bibcode = 1907PhRvI..25...31P }}</ref> 
金属-半導体ダイオード整流器の使用は、1926年に[[ユリウス・エドガー・リリエンフェルト]]のトランジスタについての3つの特許のうちの最初の特許で[[金属-半導体電界効果トランジスタ]]のゲートとして提案された。<ref>{{patent|US|1745175|"Method and apparatus for controlling electric current" first filed in Canada on 22.10.1925.}}</ref>
1939年、[[ウィリアム・ショックレー]]によって、金属/半導体ゲートを用いた電界効果トランジスタの正確な理論が提唱された。

[[エレクトロニクス]]応用での最初の金属-半導体ダイオードは、[[受信機]]に[[鉱石検波器]]が用いられた1900年頃に現れた。<ref>{{Cite patent |inventor-first=Jagadis Chunder |inventor-last=Bose |inventorlink=Jagadish Chandra Bose |country-code=US |patent-number=755840 |title=Detector for electrical disturbances |publication-date=September 30, 1901 |issue-date=March 29, 1904}}</ref> 
鋭いタングステンワイヤーから構成され、先端を[[方鉛鉱]]（硫化鉛）結晶の表面に押し付けられる。
最初の大面積整流器は1926年頃に現れた。これは、銅[[基板]]上の熱的に成長した[[酸化銅(I)]]半導体から構成され、金属基板上に[[セレン]]膜を蒸着し、整流ダイオードを作る。
この[[セレン整流器]]は、電力応用において交流電流を直流電流に変換するために用いられた。

1925年から1940年までの間、[[極超短波]]領域の[[マイクロ波]]を検出するために、[[シリコン]]結晶に接触した鋭い[[タングステン]]ワイヤーからなるダイオードが作製された。
1942年に[[フレデリック・ザイツ]]によって提案された、第二次世界大戦における点接触整流器作製のための結晶ベースの高純度シリコンの製造計画は、[[デュポン]]の実験所にて成功した。

金属-半導体接合の整流性の正確な原理を予言する最初の理論は、1939年に[[ネヴィル・モット]]によって提唱された。
この理論は半導体表面空間電荷層を通る[[多数キャリア]]の[[拡散電流]]と[[ドリフト電流]]の両方の解を見つけたものであり、モット障壁として知られている。
[[ヴァルター・ショットキー]]とSpenkeは、半導体表面層で[[密度]]が空間的に一定であるドナー[[イオン (化学)|イオン]]を含めることで、 モットの理論を発展させた。
この理論ではモットが仮定した一定の[[電場]]が線形に減衰する電場に修正されている。
金属下に形成される半導体空間電荷層は[[ショットキー障壁]]として知られる。
同様の理論は1939年にDavydovも提案した。
これは整流の正しい方向を与えたが、モット理論とショットキー-Davydov理論は、シリコン金属/半導体ダイオード整流器において間違った電流制御メカニズムと、間違った電流-電圧の公式を与えることも証明した。
正しい理論は[[ハンス・ベーテ]]により提唱され、1942年11月23日に[[マサチューセッツ工科大学]]のRadiation Laboratory Reportで報告された。
ベーテの理論での電流は、金属-ハンド半導体ポテンシャル障壁での[[熱電子放出]]により制限されることを説明している。
ショットキー理論は現代の金属-半導体ダイオードの特性を正確に説明できないため、金属-半導体ダイオードの適切な名前は、[[ショットキーダイオード]]ではなくベーテダイオードであるべきという主張もある。<ref>{{cite book |title=Fundamentals of Solid-State Electronics |last1=Sah |first1=Chih-Tang |year=1991 |publisher=World Scientific |isbn=9810206372 }}</ref>

[[フェルディナント・ブラウン]]が行った実験のように、金属-半導体接合が[[ショットキーダイオード]]の作製において、[[ショットキー障壁]]を作るために[[シリコン]]などの半導体上に[[水銀]]の[[滴]]を置くことで形成する場合、[[エレクトロウェッティング]]が観測され、電圧が増加すると滴は広がる。
[[ドーピング (半導体)|ドーピング]]のタイプと半導体の密度に依存して、滴の広がりは水銀滴に与えられた電圧の大きさと負号に依存する。<ref>S. Arscott and M. Gaudet "Electrowetting at a liquid metal-semiconductor junction" Appl. Phys. Lett. '''103''', 074104 (2013). {{doi|10.1063/1.4818715}}</ref> この効果はショットキー・エレクトロウェッティングと呼ばれ、エレクトロウェッティングと半導体効果の理論を結び付けるものである。<ref>S. Arscott "Electrowetting and semiconductors" RSC Advances '''4''', 29223 (2014). {{doi|10.1039/C4RA04187A}}</ref>

== 参考文献 ==

<References/>

{{Authority control}}

{{半導体}}

{{DEFAULTSORT:きんそくはんとうたいせつこう}}
[[Category:半導体構造]]
[[Category:半導体接合]]