第六章 半导体界面问题.ppt

第六章半导体界面问题概要 1金属 半导体接触和肖特基势垒 2半导体表面电场效应 3MOS结构的C V特性 1金属 半导体接触和肖特基势垒 1 金属和半导体的功函数 2 金属 半导体接触电势差 3 表面态对接触势垒的影响 4 I V特性的定性图象 金属和半导体的功函数功函数 W EVAC EF EVAC 真空中静止电子的能量 亦记作E0 功函数给出了固体中EF处的电子逃逸到真空所需的最小能量 图7 1 金属功函数 Z 关于功函数的几点说明 对金属而言 功函数Wm可看作是固定的 功函数Wm标志了电子在金属中被束缚的程度 对半导体而言 功函数与掺杂有关 功函数与表面有关 功函数是一个统计物理量 对半导体 电子亲和能 是固定的 功函数与掺杂有关 图7 3 表7 1半导体功函数与杂质浓度的关系 n型半导体 WS EC EF p型半导体 WS Eg EF EV 金属和半导体接触电势差 一种典型情况 讨论M n型半导体 Wm Ws 阻挡层 接触电势差 为了补偿两者功函数之差 金属与半导体之间产生电势差 Vms Ws Wm e 当Wm Ws Vms 0 金属一边低电势 反阻挡层 通常 可认为接触电势差全部降落于空间电荷区 半导体一边的势垒高度 VD Vms 表面势 半导体表面相对于体内的电势Vs Vms 金属一边的势垒高度 肖特基势垒 SB e SB e ns Wm 常常选择 SB为描述金属 半导体接触势垒的基本物理量 SB几乎与外加电压无关 能带 电荷分布 电场分布 金属 半导体接触的几种情况 对M n型半导体 Wm Ws能带上弯 电子势垒空间电荷 电离施主 Wm Ws能带下弯 电子势阱空间电荷 电子积累势垒 阻挡层 势阱 反阻挡层 Wm Ws电子势垒 Wm Ws电子势阱 对M p型半导体 Wm Ws能带上弯 空穴势阱空间电荷 空穴积累 Wm Ws能带下弯 空穴势垒空间电荷 电离受主 Wm Ws空穴势垒 Wm Ws空穴势阱 表面态对接触势垒的影响 理论上 金属一边的势垒高度e SB e ns Wm 实际上 SB常常与金属的种类关系不太大 而主要取决于表面态 界面态 的影响 半导体表面处 禁带中存在表面态 半导体与其表面态通过交换电子 达到相互平衡 由于表面态的存在 半导体表面产生空间电荷区 能带弯曲 以M n型半导体为例 且Wm Ws 单独考虑表面态 表面态在能隙中形成一个能带 设表面态的电中性能级距价带顶为e 0由表面态的带电状态 表面态可分为 施主型表面态 被电子占据时 呈电中性 失去电子后 呈正电性 受主型表面态 空态时 呈电中性 得到电子后 呈负电性 对大多数半导体 表面态电中性能级距价带顶大约有e 0 Eg 对p型半导体 本征表面态常为施主型 对n型半导体 本征表面态常为受主型 图7 7 半导体与其表面态通过交换电子 达到相互平衡 具有统一的EF 当表面态的密度很大 EF被表面态钉扎 钉扎于表面态电中性能级 对n型半导体 eVD Eg e 0 Ec EF n 对p型半导体 eVD e 0 EF EV p 图7 8 考虑金属 半导体 当带有表面态的半导体与金属接触 要考虑这三者之间的电子交换 平衡时 金属 表面态和半导体具有统一的EF 对金属 半导体接触势垒的小结 仍以M n S 势垒接触 Wm Ws 为例 e SB eVD Ec EF n 当不考虑表面态 e SB Wm 当表面态的密度很高 e SB Eg e 0 肖特基势垒高度与金属的Wm无关 一般情况下 可介于二者之间 则有 e SB 1 S Eg e 0 S Wm S称为界面行为因子 与半导体材料有关 与制造工艺有关 当表面态密度很小 S 1 当表面态密度很大 S 0 I V特性的定性图象 定性图象 阻挡层的整流作用 仍讨论M n S形成电子势垒 M S接触是多子器件 对M n S形成的电子势垒 其输运特性主要由电子决定 正向偏置 半导体一侧电子势垒降低 可形成较大的正向电流 反向偏置 半导体一侧电子势垒升高 反向电流很小 当反向偏置加大 反向电流可趋于饱和 图7 10 要定量讨论I V特性 必须讨论电子是怎样越过势垒的 两种近似模型 扩散理论 势垒区较厚 制约正向电流的主要是电子在空间电荷区的扩散过程 热电子发射理论 载流子的迁移率较高 电子能否通过势垒区 主要受制于势垒高度 热电子发射理论的结果 其中 有效里查孙常数 书上 表7 4 肖特基势垒二极管 SBD p n结二极管肖特基势垒二极管 肖特基势垒二极管是多子器件 有优良的高频特性 一般情况下 不必考虑少子的注入和复合 肖特基势垒二极管有较低的正向导通电压 反向击穿电压较低 反向漏电较高 肖特基势垒二极管具有制备上的优势 欧姆接触欧姆接触是金属 半导体接触的另一个重要应用 作为器件引线的电极接触 非整流接触 欧姆接触的要求 接触电阻应小到与半导体的体电阻相比可以忽略 不影响器件的电学特性 欧姆接触的实现 主要方法是对接触处的半导体高掺杂 利用隧道效应 得到很小的接触电阻 2半导体表面电场效应 1 表面空间电荷层和表面势 2 讨论几种典型情况 表面积累 表面耗尽 表面反型 表面平带 表面空间电荷层 空间电荷区 半导体中呈现非电中性 出现静电荷 的区域表面空间电荷区起因 屏蔽外界影响产生的电场 外电场 表面态 表面原子吸附或薄层覆盖 界面 特点 表面空间电荷区中存在电场 能带发生弯曲 表面势VS 半导体表面相对于体内的电势值 定性图象 设半导体表面外有电场 i 以指向半导体表面为正 半导体 i 0 VS 0 i 0 VS 0 n型电子积累表面耗尽 表面反型p型表面耗尽 空穴积累表面反型 p型 i 0 VS 0 对表面空间电荷区的一般讨论 解泊松方程 空间电荷区中电势满足的方程 其中 求解方程 可得到表面空间电荷层的基本参数 表面电场强度Es Vs 表面空间电荷面密度Qsc Vs 单位面积的空间电荷层电容Csc Vs 应用C V特性研究表面空间电荷层 我们将直接讨论各种典型情况下的空间电荷区 给出半定量或定性的结果 当外加电场 i变化 外加电压变化 表面势VS 表面空间电荷层 随之变化 讨论表面空间电荷面密度QSC和空间电荷层电容 单位面积 CSC随表面势VS的变化 几种典型情况 以p型半导体表面为例 表面积累 多数载流子堆积状态 当 i0能带上弯 VS 0 空穴积累于靠近表面的薄层 且随表面势数值的增加而迅速增加 CSC很大 表面耗尽 i 0 VS 0 能带下弯 QSC 0 当0 VS 2VB 可应用耗尽层近似其中 eVB Ei EF p 此时 x eNA 泊松方程为 解泊松方程 得到 图8 7 表面反型 强反型 当VS 2VB耗尽层宽度达到最大 i继续增加 VS 2VB 表面nS pB CSC很大 一维电子势阱中的2DEG 当VS 2VB 半导体表面出现反型层 MOS器件中称为沟道 即电子势阱 当势阱宽度足够窄 势阱中的电子即称为一维电子势阱中的2DEG 势阱中的电子在平行于界面 势阱壁 方向的运动 可视作二维准自由电子的运动 在垂直于界面 势阱壁 方向的运动 必须考虑量子效应 能量量子化 图8 6 表面平带状态 VS 0 QSC 0 但CSC 0 泊松方程 方程的解为 平带电容 德拜长度 对半导体表面空间电荷区电容的小结 表面积累 CSC很大 表面耗尽 表面反型 CSC很大 表面平带 3MIS结构的电容 电压特性 1 MOS结构的微分电容 2 理想MOS结构的低频C V特性 3 理想MOS结构的高频C V特性 4 实际MOS结构的C V特性 MOS结构的微分电容 栅压 VG VOX VS 当不考虑表面态电荷 半导体的总电荷面密度 QS QSC QG MOS结构的微分电容 C dQG dVG 定义 氧化层电容 COX dQG dVOX ox 0 dox 空间电荷区电容 CSC dQSC dVS 则有 理想MOS结构 理想MOS结构 Vms 0 Qox 0 Qss 0MOS结构的微分电容公式 低频C V特性 VG 0 VS 0 表面积累 CSC很大 C Cox 1 MOS结构的电容呈现为Cox VG 0 0 VS 2VB 表面耗尽 VG VT VS 2VB 表面强反型 CSC很大 C Cox 1阈值电压 开启电压 半导体表面刚达到强反型时所加的栅压 VT VOX VS Qdm COX 2VBQdm eNAdm VG 0 VS 0 表面平带 图8 11 掺杂 氧化层厚度对C V曲线的影响 掺杂越大 or and氧化层厚度dox越大 CFB COX越大 VT越大 极值右移 CdM越大 极值上移 高频C V特性 表面积累 表面耗尽 高低频特性一样 VG VT VS 2VB 表面强反型 高频时 反型层中电子的增减跟不上频率的变化 空间电荷区电容呈现的是耗尽层电容最小值 MOS结构的电容也呈现最小值 不再随偏压VG呈现显著变化 图8 12 深耗尽状态 当偏压VG的变化十分迅速 且其正向幅度大于VT 则 即使表面势VS 2VB 反型层也来不及建立 耗尽层宽度随偏压幅度的增大而增大 深耗尽状态 当表面处于深耗尽 随VG增加 d增加 dM MOS结构的电容不再呈现为最小值 实际MOS结构的C V特性 功函数差异的影响平带电压 为了恢复半导体表面平带状态需要加的电压 考虑功函数差异的影响 VFB Vms 实际MOS结构的C V特性 绝缘层中电荷的影响当绝缘层处有一薄层电荷 其面电荷密度为 当绝缘层中有分布电荷则有 其中 氧化层中总有效电荷面密度 实际MOS结构的阈值电压 VT VT1 VFBVT1 VOX VS QdM COX 2VBVFB VMS QOX COX C V特性的应用 求氧化层