半导体物理_第八章_半导体表面与MIS结构

1、第八章半导体表面与第八章半导体表面与MISMIS结构结构半导体表面问题在微电子技术的科学实验和生产实践中越半导体表面问题在微电子技术的科学实验和生产实践中越来越显得关键和重要，其原因有三点：来越显得关键和重要，其原因有三点：1、半导体表面的状态可以严重地影响半导体器件的性能，、半导体表面的状态可以严重地影响半导体器件的性能，特别是影响器件的稳定性和可靠性。特别是影响器件的稳定性和可靠性。2、利用半导体表面特有的效应研制出了许多非常重要的新、利用半导体表面特有的效应研制出了许多非常重要的新器件，例如器件，例如MOS器件，器件，CCD器件等。器件等。3、随着微电子制造技术的进步，薄膜型器件不断涌现

2、，在、随着微电子制造技术的进步，薄膜型器件不断涌现，在薄膜型器件中，表面效应及表面性质起着决定性的作用。薄膜型器件中，表面效应及表面性质起着决定性的作用。表、界面的定义表、界面的定义表、界面是指由一个相到另一个相的过渡区域。表、界面是指由一个相到另一个相的过渡区域。表、界面通常可以分为以下五类：表、界面通常可以分为以下五类： 固固气、液气、液气、固气、固液、液液、液液、固液、固固固气体和气体之间总是均相体系，因此不存在表、界面。气体和气体之间总是均相体系，因此不存在表、界面。习惯上把凝聚相与气相之间的分界面（固习惯上把凝聚相与气相之间的分界面（固气、液气、液气）气）称为称为表面表面，而把凝聚相

3、之间的分界面（固，而把凝聚相之间的分界面（固液、液液、液液、液、固固固）称为固）称为界面界面。物理表面物理表面物理表面物理表面材料表面材料表面 =0 理想理想MISMIS系统定性分析系统定性分析 （以（以P P类型为例）类型为例） - - 堆积、耗尽、反型堆积、耗尽、反型VBVB为费米电势，决定半导体的类型及程度为费米电势，决定半导体的类型及程度ECEVEiEFsVG0 xxdqVGkTEEnpFsiiexpiE在表面处在表面处 低于半导体低于半导体内部值内部值EFmQnQm特征特征ECEVEiEFsVG0 xxdm在强反型条件下在强反型条件下金属与半导体间加负压，金属与半导体间加负压，多子堆

4、积。多子堆积。金属与半导体间加不太高的正压，金属与半导体间加不太高的正压，多子耗尽。多子耗尽。金属与半导体间加高正压，金属与半导体间加高正压，少子反型。少子反型。Vs=2VB时，金属板上加的电压习惯上称作开启电压，用时，金属板上加的电压习惯上称作开启电压，用VT表示。表示。当反型层的厚度小到与电子的德布罗意波长相比拟时当反型层的厚度小到与电子的德布罗意波长相比拟时，反型电子处于量子阱中。，反型电子处于量子阱中。此时反型电子沿垂直界面方向的运动发生了量子化，对应的电子能级发生分裂，此时反型电子沿垂直界面方向的运动发生了量子化，对应的电子能级发生分裂，形成不连续的电子能级，但电子沿平行于界面方向的

5、运动则不受约束。把这种电形成不连续的电子能级，但电子沿平行于界面方向的运动则不受约束。把这种电子称为子称为二维电子气二维电子气。.1.1 理想理想MISMIS结构的电容结构的电容- -电压特性电压特性1.理想情况即假设：理想情况即假设： 不考虑功函数的影响；不考虑功函数的影响； 忽略绝缘层中的电荷；忽略绝缘层中的电荷； 忽略表面态的影响；忽略表面态的影响； 假定绝缘层完全不导电。假定绝缘层完全不导电。讨论讨论MIS结构的结构的C-V特性时，都以单位表面积的电容为准，特性时，都以单位表面积的电容为准，以以P型半导体为例。型半导体为例。0000111GssriisssVVVCCCCddQCdV 理

6、想的理想的MISMIS结构的电容相当于绝缘层电容和半导体空间电荷层电容的串联。结构的电容相当于绝缘层电容和半导体空间电荷层电容的串联。.2 .2 功函数对功函数对C-V特性的影响特性的影响.3 .3 绝缘层中电荷对绝缘层中电荷对C-V特性的影响特性的影响在实际的在实际的MIS结构中，其绝缘层中存在有电荷（通常为正电荷），存在的结构中，其绝缘层中存在有电荷（通常为正电荷），存在的电荷必然对电荷必然对MIS结构的结构的C-V特性产生影响，使半导体表面能带发生弯曲，同特性产生影响，使半导体表面能带发生弯曲，同样引起样引起C-V曲线沿电压轴平移。曲线沿电压轴平移。为了恢复平带状态，必须在为了恢复平带状

7、态，必须在MIS结构上加一定的偏压。结构上加一定的偏压。Si-SiO2系统系统Si-SiO2系统的特性和其中带电情况密切相关，其主要的带电形式有：系统的特性和其中带电情况密切相关，其主要的带电形式有：可动离子：主要是带正电的可动离子：主要是带正电的Na+ 、 K+ 、 Li+ 、 H+正离子；正离子；固定电荷：位于固定电荷：位于Si-SiO2界面附近界面附近200 处；处；界面态：界面态： Si-SiO2界面处位于禁带中的能级或能带；界面处位于禁带中的能级或能带；电离陷阱电荷：由射线、电离陷阱电荷：由射线、射线、电子射线等引起的电荷。射线、电子射线等引起的电荷。可动离子可动离子特征：特征：这种

8、电荷不能进行充放电，密度用这种电荷不能进行充放电，密度用Qfc表示。表示。位于位于Si-SiO2界面界面20 nm范围以内；范围以内；Qfc不明显受到氧化层厚度或硅中的杂质类型及浓度的影响；不明显受到氧化层厚度或硅中的杂质类型及浓度的影响；1. Qfc与氧化和退火条件，以及硅晶体的取向有很显著的关系。与氧化和退火条件，以及硅晶体的取向有很显著的关系。界面态界面态界面态不仅可以使表面势发生变化，影响器件性界面态不仅可以使表面势发生变化，影响器件性能，还可以起复合中心的作用，特别是在表面层能，还可以起复合中心的作用，特别是在表面层出现耗尽层时，会使表面复合中心的作用变得特出现耗尽层时，会使表面复合

9、中心的作用变得特别有效。别有效。因此，尽量减少界面态是很重要的因此，尽量减少界面态是很重要的。陷阱电荷陷阱电荷.1.1 表面电导表面电导表面电导的定义：表面电导的定义：表面电导是指在半导体表面层内沿平行于表面方向的电导率。表面电导是指在半导体表面层内沿平行于表面方向的电导率。表面电导的大小应取决于表面电导的大小应取决于表面层内载流子的多少表面层内载流子的多少以及以及表面迁移表面迁移率的大小率的大小。表面层中载流子的数目，取决于表面势的大小，所以表面电导表面层中载流子的数目，取决于表面势的大小，所以表面电导最终也取决于最终也取决于表面势表面势，或者说垂直于表面方向的电场对表面电，或者说垂直于表面

10、方向的电场对表面电导起着控制作用。导起着控制作用。.2.2 表面迁移率表面迁移率小结小结小结小结小结小结小结小结理想理想MISMIS结构的电容结构的电容- -电压特性电压特性理想情况即假设：理想情况即假设： 不考虑功函数的影响；不考虑功函数的影响； 忽略绝缘层中的电荷；忽略绝缘层中的电荷； 忽略表面态的影响；忽略表面态的影响； 假定绝缘层完全不导电。假定绝缘层完全不导电。讨论讨论MIS结构的结构的C-V特性时，都以单位表面积的电容为准，特性时，都以单位表面积的电容为准，以以P型半导体为例。型半导体为例。小结小结Si-SiO2系统的特性和其中带电情况密切相关，其主要的带电形式有：系统的特性和其中带电情况密切相关，其主要的带电形式有：可动离子：主要是带正电的可动离子：主要是带正电的Na+