第五章半导体的表面界面及接触现象.ppt

第五章 半导体的表面、界面及接触现象,半导体表面与MIS结构 1、表面电场效应 2、理想与非理想MIS结构的C-V特性 半导体 半导体接触 金 属 半导体接触 1、阻挡层与反阻挡层的形成 2、欧姆接触的特性,一、理想表面和实际表面 理想表面：表面处的原子和电子状态同晶体内部的原子和电子状态一样。即表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。 实际表面又分为： 清洁表面：在表面没有吸附杂质，也没有被氧化的实际表面。 真实表面：表面原子生成氧化物或其它化合物 。,5-1 半导体的表面,二、表面态,求解薛定谔方程 在x=0处，出现新的本征值 附加的电子能态 表面态 清洁表面的电子态，称为本征表面态。 真实表面：吸附原子或 其它不完整性，产生表面 电子态，称为外诱表面态。 表面态可分为施主型表 面态和受主型表面态。,例如硅(111)面，在超高真空下可观察到(77)结构，即表面上形成以(77)个硅原子为单元的二维平移对称性结构 硅表面悬挂键示意图 由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴。N型硅表面带负电。,从硅表面态的实验测量中证实：其表面能级由两组组成：一组为施主能级，另一组为受主能级，靠近导带。 此外，在表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态： 其特点是，其数值与表面经过的处理方法有关，而达姆表面态对给定晶体在“洁净”表面时为一定值。 表面态对半导体各中物理过程有重要影响，特别是对许多半导体器件的性能影响更大。,5-2 半导体的表面电场,一、形成表面电场的因素 1表面态的影响 由于表面态与体内电子态之间交换电子，结果产生了垂直于表面的电场。 (EF)s表面费米能级 (EF)s EF 如果 (EF)s EF,2功函数的差异,WSWM，即(EF)S (EF)M 半导体中的电子 向金属流动， 形成由半 金的电场,3氧化层中的杂质离子 4外加偏压 引入表面态的概念，说明表面态的来源。 热平衡状态下理想MIS结构中半导体的表面电场效应，包括表面势，表面空间电荷区的电场、电势和电容。 理想MIS结构的电容-电压特性，并讨论金属和半导体功函数差、绝缘层电荷对MIS结构的电容-电压特性的影响。,二、表面电场效应,研究在外加电场作用下半导体表面层内发生的现象。 1.表面态 晶体自由表面的存在使其周期性势场在表面处发生中断，引起附加能级，即表面态。 表面态可看作表面最外层的原子未饱和键（悬挂键）所对应得电子能态，另外表面处还有由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态。 表面态改变了晶体周期性势场，它和半导体内部交换电子和空穴，半导体表面状况会严重影响半导体器件和集成电路的电学特性，尤其是稳定性和可靠性。,2空间电荷区和表面势,在金属中，自由电子密度很高，电荷基本上分布在一个原子层的厚度范围内；而在半导体中，自由载流子密度低得多，电荷必须分布在一定厚度的表面层内；这个带电的表面层称做空间电荷区。 在空间电荷区内，从表面到内部电场逐渐减弱，到空间电荷区的另一端，场强减小到零。,MIS结构是一个电容，在金属与半导体之间加电压后，金属与半导体相对的两个面上就会被充电。(M、S所带电荷符号相反)。,理想的MIS结构：M、S之间功函数差0；IS界面处不存在其它界面态；绝缘层中无电荷流动，I层不导电。 空间电荷层两端的电势差称为表面势，即表面与体内的电势差，用VS表示。 金属与半导体间所加的电压为VG,规定： 表面电势比内部高时，VS0， 表面电势比内部低时，VS0 外加反向偏压时，VG0，电场由体内指向表面，VS0,3能带弯曲和载流子浓度的变化,(1) 能带弯曲 有表面势Vs存在时，空间电荷区内的电子受到一个附加电势的作用，电子的能量变为：EC qV(x)、Ev qV(x) 。位于空间电荷区内的X VG0，VS0时， 取负号，空间 电荷区的能带 从体内到表面 向下弯曲,空间电荷区的电势随距离逐渐变化，半导体表面相对体内就产生电势差，同时能带也发生弯曲。 表面势及空间区内电荷的分布随金属与半导体间所加的电压VG而变化，可归纳为堆积、耗尽和反型三种情况。 对于p型半导体，有三种情况： 1） 多数载流子堆积状态 2） 多数载流子耗尽状态 3） 少数载流子反型状态 (2) 载流子浓度 体内：EC，Ev 空间电荷区 ：,V(x)0，能带向下弯 V(x)0，能带向上弯,表面处X=0 ， V(x)=Vs,VG0，金属接负，半导体接正 VS为负，能带上弯 将这种多子浓度高于体内平衡浓度的表面层叫多子堆积层，称此时的表面空间电荷层处于多子堆积状态。,4. P型半导体表面空间电荷层的四种基本态,(2) VG=0，VS=0，能带是平坦的 表面电荷为0，称这种状态为平带状态。,(3) VG0，金属接+,半导体接负,VB是体内势 ： ps(p0)p，空间电荷区的负电荷绝大部分为过剩的电离的受主，这种状态称为耗尽状态，空间电荷区为耗尽层。,（4）VG0,表面空间电荷区内能带的强烈弯曲，形成与原半导体导电类型相反的一层，称这个状态为反型状态。 弱反型： ps(p0)p 表面处EFEi ,与Ev相比EF更靠近Ec，有nsps,出现强反型的临界条件：ns =(p0)p,VG变化 VS变化 能带弯曲 电荷分布变化 VG0 VG0 多子堆积 平带 多子耗尽 反型少子堆积,下方二图相似，EF与Ei距离体现出逐渐耗尽的过程,XD耗尽厚度,1) VG0 , VS0 表面处能带下弯，表面多子电子浓度增加，表面层内出现电子堆积 2) VG=0，VS=0 平带。理想MIS结构，表面能带不弯曲，此时Qs=0，E=0。 ) VG0，VS0 表面处能带向上弯，越接近表面，Ec离EF越远，导带中电子浓度越低，表面多子耗尽，正电荷浓度近似为电离施主浓度。电子势垒多子耗尽 4) VG0 表面能带向上弯曲，表面处EF低于Ei，空穴浓度超过电子浓度，表面处形成了p型材料，导电类型与体内相反，叫反型层。反型层发生在近表面处，从反型层到半导体内部还夹着一层耗尽层。半导体空间电荷层内的正电荷由两部分组成，一部分是耗尽层中已电离的施主正电荷，一部分是反型层中的空穴。,5. N型半导体表面空间电荷层的四种基本状态,5-3 MIS结构的C-V特性,一、理想的MIS结构的C-V特性 1总电容C 在MIS结构的金属和半导体间加电压VG后，电压VG的一部分V0降在绝缘层上，另一部分降在半导体表面层中，形成表面势Vs，即： VG =V0 +VS 理想MIS结构，绝缘层内没有任何电荷，绝缘层中电场是均匀的，以E0表示其电场强度，显然：QmQs,Qs表面的电荷面密度 C0绝缘层电容，Cs为半导体空间电荷区电容 上式表明MIS结构电容相 当于绝缘层电容和半导体 空间电荷层电容的串联， 由此可得MIS结构的等效 电路：,n 型半导体MIS结构的电容电压特性,2表面空间电荷区的电场和电容,表面空间电荷区的电场： 其中： 称为德拜长度 rs为绝缘层的相对介电常数 （n0)p(p0)p 平带时的总电容为CFB： r0为绝缘层相对介电常数,对于均匀掺杂的p型半导体，假设空间电荷区的空穴已全部耗尽，处于耗尽状态，空间电荷层的电荷全由已电离的受主杂质NA构成。半导体的掺杂是均匀的，则空间电荷区的电荷密度： (x)=- qNA 设xd为耗尽层的厚度 在表面处：V=VS，得到x=0处的表面势： 称为F函数,表面的电荷面密度Qs与表面处电场强度的关系： 金属为正时，VG0，QS为负号 金属为负时，VG0，QS为正号,p型半导体 VG0 Vs ,Cs C0/Cs随Vs而0， C/C01，CC0,3. 表面空间电荷区的电容与VG的关系,随|VG|积累的空穴越来越少，CS，C/C0 (2) VG=0，平带情况VS=0 Es=0，QS=0 随VG，VS，xd，CS， 总容量C，C/C0,(3) VG0，金属接+，半导体接- VS0，表面能带下弯，是空穴的势垒,VS，少子积累越多，ns，Cs，C0/CS，C/C0 当VS到使C0/CS很小时，C/C0的分母中的第二项又可以忽略。 C/C01。 高频信号时，反型层中的电子对电容没有贡献，此时空间电荷区的电容仍由耗尽层的电荷变化决定。 N型半导体组成的MIS结构具有相似的规律。,(4) VG0,1金属和半导体功函数的影响 (EF )M (EF )S WM 0 能带下弯 VFB为达到平带状态所需加的电压(平带电压) 理想情况的平带电容CFB/C0对应于VG= 0；实际情况的平带电容CFB/C0对应于VG0。 必须外加一负电压，VG =-Vs，抵消由于两者功函数的不同引起的电场和能带的弯曲，才能达到平带状态。,二、实际的MIS结构的C-V特性,功函数差异对C-V曲线的影响 理想MIS结构的C-V曲线 金属与半导体存在功函数差 时的C-V曲线 曲线1平行与电压轴平移VFB距离 如果WmWs，形成的Vs0，这时C-V曲线是向右发生了移动。,固定离子：通常位于SiSiO2界面 附近的200范围内 可动离子：Na+，K+或H+ 绝缘层中有一薄层电荷(面密度为Q)，无外加电压时，薄层电荷分别在金属和半导体表面层中感应出相反符号的电荷。因此在半导体空间电荷层内产生电场，能带发生弯曲。即未加外电压时，由于绝缘层内电荷的作用使半导体表面层离开了平带状态。为了恢复平带状态，须在金属板上加一定偏压。 Q0时，M和S表面层感应出负电荷，空间电荷层的能带向下弯曲，故金属板上加负偏压抵消掉半导体表面层内由Q产生的电场。相当于CV曲线向左平移,2绝缘层中离子的影响,(1) 受主表面态 在N型半导体中： 使N型表面反型，VS0,能带上弯 在P型表面 ： Vs0，能带上弯, 表面积累更多空穴，为强p型材料 只要表面有受主态存在，都会形成由体内向外的电场，使VS0，能带上弯，使C-V特性曲线向右平移。,3表面态的影响,存在于N型表面时： VS0，能带下弯，在表面形成强N型 正电荷：电离的施主表面态 负电荷：多子积累 P型材料：表面出现反型层 ，Vs0，能带下弯 正电荷：电离施主表面态 负电荷： 反型层中少子电子 耗尽层中电离的受主 只要有施主表面态，总要形成指向内部的电场，在没加电场时，在表面就有电场VS0，能带下弯，C-V特性曲线左移,(2) 施主表面态,一、p-n结的形成和种类 1合金法 用合金法制备的p-n结一般为突变结 2扩散法 用扩散法制备的p-n结一般为缓变结，杂质浓度从p区到n区逐渐变化。,5- 4 半导体的p-n结,pn结的作用和用途,pn结中由于空间电荷区的作用，形成对电子运动有阻碍的势垒，载流子通过这个势垒时，按照其运动方向而难易不同，利用这种现象可制成二极管。 当光照射pn结时，由于自建电场的作用，使光照产生的电子空穴对定向运动形成光电流。利用这种现象的器件有太阳能电池、放射线、红外探测器等。 利用pn结电容与偏压有关，可制成变容二极管。 利用高掺杂浓度制成隧道二极管，利用其独特的负阻特性可用于振荡器、放大器及其它方面。,1平衡p-n结的形成 P型材料的多子用pp0表示，少子为np0 n型材料的多子用nn0表示，少子为pn0 单独的n型、P型半导体是电中性的 形成p-n结后，由于载流子的浓度梯度， 导致了空穴从pn，电子从np的扩散运动 P区中的空穴离开后留下不可动的带负电的电离受主，没有正电荷与之保持电中性，因此结附近靠近p区一侧出现负电荷区。同理，结附近靠近n区一侧出现由电离施主构成的正电荷区。 形成由np区，从正电荷指向负电荷的恒定电场，称为内建场，它存在于结区。内建场起阻碍电子和空穴扩散的作用。 平衡后： J扩 =J漂 处于热平衡状态的结称为平衡结。,二、平衡p-n结的特点,2平衡p-n结的能带及势垒,能带相对移动的原因 空间电荷区的内建电场的结果。随着nP的电场的增强，V(x)由nP不断降低，而电子的电势能qV(x)由nP不断升高。p区能带相对n区上移，n区能带相对p区下移，直到EF处处相等， p-n结平衡。 p-n结中的EF处处相等标志了每一种载流子的J扩和J漂互相抵消，没有净电流通过p-n结。,二者接触后，电子由nP, 空穴由Pn, 导致(EF)n，(EF)p.直到(EF)n =(EF)p =EF ， p-n结平衡，J扩=J漂，形成恒定电场E,方向由nP。,假设： P区：Ec=Ecp Ev=Evp n0=np0 p0=pp0 N区：Ec=Ecn Ev=Evn n0=nn0 p0=pn0 同质p-n结: 平衡时：qVD=EFn -EFp 饱和区，全电离：pp0=NA , nn0=ND VD与p-n结二边的掺杂浓度、温度及Eg有关：Eg越大，ni越小，VD越大,三、非平衡p-n结,1. 正偏p-n结的能带 正偏时，势垒区内载流子浓度减小，电阻很大；势垒区外载流子浓度很大，电阻很小，所以外加正偏压落在势垒区 正偏压在势垒区产生了与内建电场相反的电场，因而减弱了势垒区的电场强度，表面空间电荷相应减少。故势垒区宽度减小，势垒高度从qVD下降为q(VD-V) 势垒区电场减弱，破坏了载流子的运动平衡，漂移运动减弱，J扩J漂。电子通过势垒区扩散 入p区，电子在xp处积累，形 成向p区内部电子扩散流。,2正偏时载流子的运动和电流成分,P： J= Jp N： J= Jn 结：J= Jp结 + Jn结 扩：J= Jp(x) + Jn(x) 正偏时，n区中电子向nn漂移，越过势垒区，经pp进入p区，构成进入p区的电子J扩；进入p区后继续向内部扩散，形成电子扩散电流。 扩散过程中，电子与从p区内部向pp漂移来的空穴复合，电子电流不断转化为空穴电流，直到注入的电子全部复合，电子电流全部转化为空穴电流为止。,单向导电性正偏下，J随偏压呈指数关系增大，正偏与反偏时的J-V曲线不对称(整流效应) 例如室温：KT=0.026ev 当V=0.26v: 温度对J影响很大： Js-T主要由 决定，T,Js迅速增大，且Eg越大，Js变化越快 T，正向J Js反向饱和电流密度,常量,与外加电压无关,3正偏下的电流密度,反偏压在势垒区产生的电场与内建电场方向一致，势垒区的电场增强，势垒区变宽，势垒高度qVD增大为q( VDV)。势垒区电场增强，破坏了载流子扩散运动和漂移运动的原有平衡，漂移运动增强，J漂 J扩。 当|V|, ，J ,最后JJs(反向饱和电流),4反偏时的p-n结,四、p-n结的击穿特性,反向电压使结区电场达到105v/cm，反向饱和电流不再恒定，而是突然增加，这种现象称为p-n结的击穿，对应的电压称为击穿电压，用VBR表示。 击穿现象中，电流增大的基本原因不是由于迁移率的增大，而是由于载流子数目的增加。,1雪崩击穿 一般发生在缓变结中，且掺杂浓度比较低 反向偏压下，流过p-n结的反向电流，主要是p区扩散到势垒区的电子电流和由n区扩散到势垒区的空穴电流 反偏很大时，势垒区的电场很强，区内的电子和空穴受到强电场的漂移作用有很大动能，它们与晶格原子发生碰撞，把价键上的电子碰撞出来成为导电电子，同时产生一个空穴。即高能量的电子和空穴把满带中的电子激发到导带，产生了电子空穴对 一个电子碰撞出一个电子和一个空穴，即一个载流子变成了三个载流子，如此继续碰撞，载流子大量增加，通过载流子的倍增效应，使势垒区单位时间内产生大量载流子，迅速增大了反向电流，从而发生击穿,2隧道击穿 Eg小、突变结、掺杂高的缓变结是导致隧道击穿的因素。 在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带的击穿现象。 一般杂质浓度，雪崩击穿是主要的；在杂质浓度高，反向偏压不高时，由于势垒区宽度小，不利于雪崩倍增效应，隧道击穿占主要。 3热击穿 容易发生的条件是Eg小，散热不好的器件。 当p-n结上施加反向电压时，反向电流会引起热损耗，反向电压逐渐增大，对应的反向电流所损耗的功率也增大，将产生大量热能。如果散热条件不好，热能无法及时传递，结温度会上升。 反向饱和电流密度随温度按指数规律上升，结温,Js迅速上升，产生的热能也迅速增大，如此循环而发生击穿。,一、金属半导体接触及能级图 1. 金属和半导体的功函数 金属中的电子绝大多数所处的能级都低于体外能级。 功函数的定义是E0与EF能量之差，用WM表示，即 表示一个起始能量等于EF的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小值。,5-5 金属和半导体的接触,2. 接触电势差,半导体中，导带底Ec和价带顶 Ev一般都比E0低几个电子伏。 半导体的功函数可以写成： 金属半导体接触，由于Wm和Ws不同，会产生接触电势差Vms。同时半导体能带发生弯曲，使其表面和内部存在电势差Vs，即表面势Vs，因而 紧密接触时，,（c）紧密接触 （d）忽略间隙 图(a) (d)为金属n型半导体接触能带图 (WmWs),一类是整流接触，形成阻挡层，即肖特基接触； 一类是非整流接触，形成反阻挡层，即欧姆接触。 当金属与n型半导体接触时： 若WmWs ，则在半导体表面形成一个正的空间电荷区，其中电场方向由体内指向表面，Vs0，它使半导体表面电子的能量高于体内的，能带向上弯曲，即形成表面势垒。 在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度要比体内小得多，因此它是一个高阻的区域，常称为阻挡层。 若 WmWs ，电子将从金属流向半导体，在半导体表面形成的空间电荷区。,典型金属半导体接触有两类：,(a) p型阻挡层(WmWs)金属p型半导体接触能带图 形成n型和p型阻挡层的条件：,金属和p型半导体接触时：,形成阻挡层的条件与n型的相反 当WmWs时，能带向上弯曲，形成p型反阻挡层 当WmWs时，能带向下弯曲，造成空穴的势垒，形成p型阻挡层。,二、金属半导体接触的整流理论,2.1 金属半导体接触的整流特性 在金属半导体接触中，金属一侧势垒高度不随外加电压而变，半导体一侧势垒高度与外加电压相关。因此，当外加电压使半导体一侧势垒高度降低时，形成从半导体流向金属的净离子流密度，且随外加电压而变化；反之，则是从金属到半导体的离子流密度，该电流较小。且与外加电压几乎无关。这就是金属半导体接触整流特性。,2.2.1 扩散理论,对于n型阻挡层，当势垒宽度比电子的平均自由程大得多时，电子通过势垒区要发生多次碰撞，这样的阻挡层厚阻挡层。 当势垒高度远大于k0T时，势垒区可近似为一个耗尽层 在耗尽层中，载流子极为稀少，它们对空间电荷的贡献可忽略；杂质全部电离，空间电荷完全由电离杂质的电荷形成。 若半导体是均匀掺杂的，则耗尽层中的电荷密度也是均匀的，且等于qND，ND是施主浓度。这时泊松方程是：,2.2.2 热电子发射理论 计算超越势垒的载流子数目就是热电子发射理论 电子从MS所面临的势垒高度不随外加电压变化。从金属到半导体的电子流所形成的电流密度Jms是个常量，它应与热平衡条件下，即V=0时的大小相等，方向相反。因此： 由上式得到总电流密度为：,Ge、Si、GaAs具有较高的载流子迁移率，即有较大的平均自由程，因而在室温下，这些