第八章_半导体表面和MIS结构

1 为什么要研究表面 1 表面具有特殊性2 表面有损伤 氧化 沾污 影响稳定性3 表面需保护 钝化 4 表面是做器件的基础1948晶体管发明1960 s平面工艺 SiO2 集成电路1970 s钝化工艺提高 可靠性提高1980 s新器件发明 第八章半导体表面与MIS结构Semiconductorsurfaceandmetal insulator semiconductorstructure 2 1 表面电场效应2 理想与非理想MIS结构的C V特性3 Si SiO2系统的性质4 表面电导 重点 3 8 1表面态 一 表面态 悬挂键 晶格缺陷 吸附分子 硅表面STM扫描图象 4 二 半导体的表面结构 1 清洁表面 LEED STM UPS 2 真实表面 3 介质 半导体系统 5 8 2表面电场效应 MIS结构 理想MIS结构 1 Wm Ws 2 绝缘层内无电荷 且绝缘层不导电 3 绝缘层与半导体界面处不存在界面态 6 一 Si SiO2系统的性质 CharacteristicsofSi SiO2System 7 1 可动离子 特点 半径较小 带正电 具有热激活的特点 如 Na K H 2 固定电荷 位于距Si SiO2界面约30埃以内 主要是Si SiO界面附近的过剩Si 氧化温度越低 固定正电荷密度越大 高温退火可降低固定正电荷密度 固定正电荷密度按晶体取向不同而不同 111 110 100 8 3 界面态 存在于Si SiO2界面离Si表面3 5埃内 分为施主界面态和受主界面态 4 陷阱电荷 特点 通常不带电 9 二 空间电荷层及表面势 VG 0时 理想MIS结构的能带图 如果VG 0 10 11 12 1 表面电场分布Es 三 表面空间电荷层的电场 电势和电容 13 14 15 2 表面电荷分布Qs 16 3 表面电容Cs 17 讨论 18 1 多子积累 特征 1 能带向上弯曲并接近EF 2 多子 空穴 在半导体表面积累 越接近半导体表面多子浓度越高 Vs0 19 20 2 平带状态 特征 半导体表面能带平直 Vs 0 21 CFB 22 特征 1 表面能带向下弯曲 2 表面上的多子浓度比体内少得多 基本上耗尽 表面带负电 3 多数载流子耗尽状态 23 Vs 0 24 4 少数载流子反型状态 特征 1 Ei与EF在表面处相交 此处为本征 2 表面区的少子数 多子数 表面反型 3 反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层 25 起初 因电子浓度较小 表面处于一弱反型的状态 当能带持续弯曲 使得导带的边缘接近费米能级 当靠近界面的电子浓度等于衬底的掺杂量时 开始产生强反型 在此之后 大部分在半导体中额外的负电荷是由电子在很窄的n型反型层 0 x xi 中产生的电荷Qn所组成 其中xi为反型层的宽度 xi典型值的范围从1nm 10nm 且通常远小于表面耗尽区的宽度 26 27 使半导体表面达到强反型时加在金属电极上的栅电压就是开启电压 开启电压VT 28 临界强反型时 29 强反型后 Vs VB 且qVs k0T 30 表面电场效应 平带 表面反型 VG 0 VG 0 VG 0 表面积累 表面耗尽 31 p型半导体 n型半导体 32 根据以上的讨论 以下各区间的表面电势可以区分为 VsVs 0 空穴耗尽 能带向下弯曲 Vs VB 禁带中心 即ns np ni 本征浓度 Vs VB 反型 能带向下弯曲超过费米能级 33 积累 耗尽 反型 34 一 理想MIS结构的电容效应 8 3MIS结构的C V特性Capacitance voltageCharacteristicsofMISStructure VG Vs Vi 35 二 理想MIS电容器的C V特性 36 1 VG 0 多子积累 1 当 Vs 较大时 有CCi半导体从内部到表面可视为导通状态 C Ci 2 当 Vs 较小时 有C Ci 1 37 2 VG 0 平带状态 di绝缘层厚度 特征 归一化电容与衬底掺杂浓度NA和绝缘层厚度di有关 C Ci 若di一定 NA越大 表面空间电荷层变薄 CFB Ci增大 NA一定 di越大 Ci愈小 CFB Ci增大 根据上式 利用C V曲线可得到di和NA 或ND 38 3 VG 0 耗尽状态 39 4 VG VT 强反型 A 低频时 40 B 高频时 41 结论 1 半导体材料及绝缘层材料一定时 C V特性将随di及NA而变化 2 C V特性与频率有关 42 三 实际MIS结构的C V特性 1 金属与半导体功函数差Wms对MIS结构C V特性的影响 43 平带电压 接触电势差Vms 因功函数不同而产生的电势差 为了恢复半导体表面平带状态 需外加一电压 此处VFB为负 44 当Wm Ws时 将导致C V特性向负栅压方向移动 45 假设在SiO2中距离金属 SiO2界面x处有一层正电荷Q 2 绝缘层电荷对M