第七章-金属和半导体的接触ppt课件

第七章 金属和半导体的接触Metal SemiconductorContact 1 金属与半导体形成的肖持基接触和欧姆接触 阻挡层与反阻挡层的形成 2 肖特基接触的电流 电压特性 扩散理论和热电子发射理论 即肖特基势垒的定量特性 详细阐述 3 欧姆接触的特性 主要内容 三大点 约10课时 2 MESFET metal semiconductorfield effecttransistor 具有与MOSFET相似的电流 电压特性 但在器件的栅 gate 上电极部分利用金属 半导体的整流接触取代了MOSFET的MOS结构 用欧姆接触取代MOSFET的p n结 7 1金属 半导体接触和能级图 一 概述 1 在微电子和光电子器件中 半导体材料和金属 半导体以及绝缘体的各种接触是普遍存在的 如MOS器件 肖特基二极管 气体传感器等 薄膜技术及纳米技术的发展 使得界面接触显得更加重要 4 两个要点 功函数和禁带宽度的不同金属 半导体接触能带图的变化 肖特基接触的整流特性即电流 电压I V特性 二 金属和半导体的功函数Wm Ws 1 金属的功函数Wm 表示一个起始能量等于费米能级的电子 由金属内部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量 E0为真空中静止电子的能量 又称为真空能级 金属铯Cs的功函数最低1 93eV Pt最高为5 36eV 2 半导体的功函数Ws E0与费米能级之差称为半导体的功函数 用 表示从Ec到E0的能量间隔 称 为电子的亲和能 它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需要的最小能量 Note 和金属不同的是 半导体的费米能级随杂质浓度变化 所以 Ws也和杂质浓度有关 3 金属 半导体接触 三 金属与半导体的接触及接触电势差 1 阻挡层接触 即半导体的费米能EFs高于金属的费米能EFm 金属的传导电子的浓度很高 1022 1023cm 3半导体载流子的浓度比较低 1010 1019cm 3 金属半导体接触前后能带图的变化 在接触开始时 金属和半导体的间距大于原子的间距 在两类材料的表面形成电势差Vms 接触电势差 紧密接触后 电荷的流动使得在半导体表面相当厚的一层形成正的空间电荷区 空间电荷区形成电场 其电场在界面处造成能带弯曲 使得半导体表面和内部存在电势差 即表面势Vs 接触电势差分降在空间电荷区和金属与半导体表面之间 但当忽略接触间隙时 电势主要降在空间电荷区 现在考虑忽略间隙中的电势差时的极限情形 半导体一边的势垒高度为 金属一边的势垒高度为 半导体体内电场为零 在空间电荷区电场方向由内向外 半导体表面势Vs 0 在势垒区 空间电荷主要由电离施主形成 电子浓度比体内小得多 是一个高阻区域 称为阻挡层 界面处的势垒通常称为肖特基势垒 金属与P型半导体接触时 若Wm Ws 即金属的费米能级比半导体的费米能级高 半导体的多子空穴流向金属 使得金属表面带正电 半导体表面带负电 半导体表面能带向下弯曲 形成空穴的表面势垒 2 金属 p型半导体接触的阻挡层 在半导体的势垒区 空间电荷主要由负的电离受主形成 其多子空穴浓度比体内小得多 也是一个高阻区域 形成空穴阻挡层 金属和p型半导体Wm Ws空穴阻挡层 对空穴讲 向下是能量增加 在P型半导体多子是空穴 半导体多子流向金属后 留下带负电的电离受主杂质 即空间电荷区 能带向下弯曲 半导体一边的势垒高度是 qVD Ws Wm 3 金属 半导体接触的阻挡层 所谓阻挡层 在半导体的势垒区 形成的空间电荷区 它主要由正的电离施主杂质或负的电离受主形成 其多子电子或空穴浓度比体内小得多 是一个高阻区域 在这个区域能带向上或向下弯曲形成电子或空穴的阻挡 2 反阻挡层接触 金属与N型半导体接触时 若Wm0 能带向下弯曲 这里电子浓度比体内大得多 因而是一个高电导的区域 称之为反阻挡层 即电子反阻挡层 1 金属与N型半导体接触 金属 n型半导体接触前后电子反阻挡层形成能带图的变化 在半导体表面 能带向下弯曲 相当有个电子的势阱 多子电子的浓度比体内大得多 是一个高通区 即电子的反阻挡层 高导通区 很薄 2 金属与P型半导体接触 金属与P型半导体接触时 若Wm Ws 空穴将从金属流向半导体表面 在半导体表面形成正的空间电荷区 电场方向由体内指向表面 Vs 0 能带向上弯曲 这里空穴浓度比体内大得多 因而是一个高电导的区域 称之为反阻挡层 即空穴反阻挡层 上述金半接触模型即为Schottky模型 Note 反阻挡层是很薄的高电导层 对半导体和金属的接触电阻的影响是很小的 它在平常的实验中观测不到 理想晶体自由表面 达姆表面能级 1932年 晶体表面缺陷或吸附原子 附加表面能级 四 表面态对接触势垒的影响 1 对于同一种半导体材料 亲和能 将保持不变 如用不同的金属相连形成接触 根据公式 金的功函数为4 8eV 铝的功函数是4 25eV 相差0 55eV 但在Au Al和n GaAs接触时 势垒高度相差0 15eV 显然0 55eV 0 15eV Why 实验表明 金半接触时的势垒高度受金属功函数的影响很小 这是由于半导体表面存在表面态造成的 通过实验分析 不同的金属功函数对半导体势垒高度影响不大 而半导体的表面态对接触势垒的作用很大 其影响在实际工作中不能忽视 电子刚好填满EFS0以下的所有表面态时 则表面呈电中性 表面态局域电子的特性 当EFS0以下的表面态空着时 即没有被电子占据时 表面呈正电 为施主型 EFS0上面表面态被电子占据时 半导体表面为负电 是受主型 一般表面态在表面禁带中有一定的分布 表面处存在距离价带顶为EFS q 0 禁带宽度的三分之一 的能级 根据表面态相对于EFS的分布 对表面态的电学行为有两种情况 设一个n型半导体的表面存在表面态 半导体的费米能级EF高于表面能级Efs 如果Efs以上存在受主表面态 则会导致如下效应 接触前后 半导体体内与表面电子态交换电子 在EF和Efs之间的能级基本被电子填满 表面带负电 所以半导体表面附近会出现正电荷 形成正的空间电荷区 形成电子的势垒 即不和金属接触也形成电子势垒 如果表面态密度很大时 只要EF比EFs高一点 就会在表面积累很多的负电荷 能带向上弯曲 使得两者很接近 这时能带弯曲量qVD EF0 EFs0 出现所谓高表面密度钉扎 1 金属半导体接触前 不存在表面态时 Ws En 存在表面态时 功函数要有相应的改变 加上qVD EF0 EFs0的效应 2 金属与半导体接触后 接触后 表面态提供电子流向金属 考虑到表面态的作用 半导体空间电荷区的正电荷等于表面受主态留下的负电荷和金属表面的负电荷的和 所以 半导体表面态密度很高时 它可以屏蔽金属接触的影响 使得半导体内部的势垒高度和金属的功函数无关 基本上由半导体表面的性质决定 接触势差全部降落在两个表面之间 实际上 影响的程度由表面态密度不同而决定 在表面态密度大于1013cm 2 则表面处的费米能级位于禁带的1 3处 相对于价带顶 与表面态的密度无关 这个位置称为巴丁极限 下面讨论的内容 采用理想的模型 不考虑表面态的影响 2金 半接触整流理论 1 阻挡层的整流特性 外加电压对阻挡层 高阻层 的作用 金属与N型半导体接触时 若Wm Ws 空间电荷主要由电离施主形成 电子浓度比体内小得多 是一个高阻区域 称为电子阻挡层 所以 在没有外加电压时 半导体进入金属的电子流和从金属进入半导体的电子流相等 方向相反 构成动态平衡 在紧密接触的金半之间加上电压时 电流的行为会发生不同的响应 势垒高度为 由于阻挡层是个高电阻区域 外加电压主要降落在阻挡层上 同时 外加电压后 半导体和金属不再处于相互平衡的状态 两者没有统一的费米能级 两者的费米能级差就等于外加电压所引入的静电势能差 加上正向电压在n型阻挡层 金属一边为正 时 对于n型阻挡层 即金属和n型半导体在Wm Ws时 表面势为负的值 当在金属上加正向电压即V大于0 使得电子的势垒高度减低 多子电子从半导体流向金属的数目变多 电流为 进一步增加正向电压 势垒高度进一步减低 势垒宽度减薄 多子导电变强 对于n型阻挡层 即金属和n型半导体在Wm Ws时 表面势为负的值 当在金属上加正向电压即V大于0 使得电子的势垒高度减低 多子电子从半导体流向金属的数目变多 并随电压增加而变得越大 即从金属流向半导体的正向电流变大 结论 加上反向电压 金属一边为负 时 当加反向电压即V 0时 半导体一边的电子的势垒高度增高了 所以半导体到金属的电子数目减少 相反金属到半导体的电子流占优势 形成由半导体到金属的反向电流 在此过程中 金属边的势垒不随外加电压变化 阻挡层在半导体内 电流为 如进一步增加反向电压 势垒高度进一步增高 多子电子导电变弱 正向电流都是多子空穴从半导体流向金属 但和正向电流行为不一样的是 金属一边的电子所要越过的势垒 不随外加电压而变化 所以 金属到半导体的电子流是恒定的 当反向电压提高时 半导体到金属的电子流可以忽略不计 反向电流达到饱和值 对p型阻挡层 能带向下弯 表面势 Vs 0大于零V 0时 能带下弯得更厉害 多子空穴从半导体流向金属 形成正向电流 金属加正电压V 0时 能带下弯曲变得小了 形成金属到半导体的反向电流 正向和反向的电流特点就是阻挡层的整流作用 势垒区中存在电场 有电势的变化 导致载流子浓度的不均匀 计算通过势垒的电流时 因为采用厚阻挡层的扩散理论 故必须同时考虑漂移和扩散运动 所以 势垒区的电势分布情况是求解V I关系的关键 2 整流理论 定量V I特性的表达式 对于n型阻挡层 当势垒宽度比电子的平均自由程大得多 即Xd ln时 电子通过势垒区将发生多次碰撞 厚阻挡层 扩散理论适用于厚阻挡层 1 扩散理论DiffusionTheory 杂质全部电离 空间电荷完全由电离杂质的电荷形成 Xd是耗尽层的宽度 ND是施主掺杂浓度 均匀掺杂使得耗尽层的电荷也是均匀的 求电势在半导体中的分布 当加上外加电压V在金属上 由 6 式可得 当表面势外加电压V和表面势同号都为负值时 势垒高度提高 宽度变大 这种依赖于外加电压的势垒称Schottky势垒 xd 求通过势垒的电流密度 J 得到如下式 在稳定的情况下 J是个和x无关的常数 利用上页的边界条件可得 积分主要决定于x 0附近的电势值 去掉x2项 把上式和xd的表达式代入 式 11 可得到电流密度为 其中 金半接触伏安特性 氧化亚铜 迁移率较小 即平均自由程较短 扩散理论是适用的 但JSD随电压而缓慢变化 但并不趋于定值 即没有饱和 2 热电子发射理论 以非简并半导体的n型阻挡层为例 假设qVD k0T 通过势垒交换的电子很少 体内的电子浓度视为常数 与电流无关 当n型阻挡层很薄时 即电子的平均自由程大于势垒宽度 扩散理论不再适合了 电子通过势垒区的碰撞可以忽略 规定电流的正方向是从金属到半导体 电子流密度方向和电流方向相反 Js m时 正向电流 电子的状态密度和分布函数 考虑非简并半导体的情况 分布函数为Boltzmann分布 电子流密度 Jm s时 反向电流 ns是金属一边的电子势垒 总的电流密度J 讨论 扩散理论 热电子发射理论 Ge Si GaAs都有较高的载流子迁移率 即较大的平均自由程 在室温时 其肖特基势垒中的电流输运机构 主要是多数载流子的热电子发射 定义 金 半接触的非整流接触 即不产生明显的附加电阻 不会使半导体体内的平衡载流子浓度发生明显的改变 应用 半导体器件中利用电极进行电流的输入和输出就要求金属和半导体接触形成良好的欧姆接触 在超高频和大功率的器件中 欧姆接触时设计和制造的关键 实现 不考虑表面态的影响 金半接触形成反阻挡层 就可以实现欧姆接触 实际中 由于有很高的表面态 主要用隧道效应实现半导体制造的欧姆接触 7 3欧姆接触 半导体重掺杂导致明显的隧穿电流 而实现欧姆接触 半导体掺杂浓度很高时 金半接触的势垒区的宽度变得很薄 电子会通过隧道效应穿过势垒产生相当大的隧穿电流 甚至会超过热电子发射电流成为电流的主要部分 当隧穿电流占主要成份时 接触电阻会很小 可以用作欧姆接触 常用的方法 在n型或p型半导体上制作一层重掺杂区再与金属接触 形成金属 n n或金属 p p结构 使得金属的选择很多 电子束和热蒸发 溅射 电镀 Xc 1 功函数 功函数的定义是E0与EF能量之差 用W表示 即 半导体的功函数可以写成 本章小结 2 接触电势差 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V 即表面势V 因而 紧密接触时 典型金属半导体接触有两类 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 形成n型和p型阻挡层的条件 3 金属半导体接触整流特性 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 扩散理论 热电子发射理论计算肖特基接触的电流 电压特性 前者适用于势垒区宽度比电子的平均