第十一讲薄膜材料物理第四章薄膜的表面和界面

1、第十一讲薄膜材料物理第四章薄膜的表面和界面 第四章第四章 薄膜的表面和界面薄膜的表面和界面( (续续) ) 第第1111讲讲 在研究薄膜中，表面：固体和气体或真空的分界面在研究薄膜中，表面：固体和气体或真空的分界面 界面界面: : 固体和固体的分界面固体和固体的分界面 几何表面：表面的几何分界面。几何表面：表面的几何分界面。 物理表面：一个电子结构不同于内部的表面区域物理表面：一个电子结构不同于内部的表面区域 由于具体的材料不同，表面区的厚度有很大的差异由于具体的材料不同，表面区的厚度有很大的差异 薄膜的常用厚度为几十到几百薄膜的常用厚度为几十到几百nm.nm. 金属的表面区只有一金属的表面区

2、只有一. .二个原子层；二个原子层； 半导体的表面区，却有几个，甚至几千个原子层；半导体的表面区，却有几个，甚至几千个原子层； 电介质的表面区更厚。电介质的表面区更厚。金属表面带正电，半导体的界面层中带负电，金属表面带正电，半导体的界面层中带负电， 由电子增多，所以半导体界面层的费米能解的由电子增多，所以半导体界面层的费米能解的价带顶的距离增大，价带向下弯曲价带顶的距离增大，价带向下弯曲正电荷面正电荷面金属一侧金属一侧半导体一侧半导体一侧负电荷层（空间电荷层），负电荷层（空间电荷层），由电离的受主构成由电离的受主构成 当当m mm m 电流为电流为导致有较多的空穴从半导体流向金属：导致有较多的

3、空穴从半导体流向金属： smmsJk ssmVJ 图（图（e e）：）：V Vm m=0=0，V Vs s=-V=-V，即半导体一侧接负，即半导体一侧接负 半导体中的电子能为上升，或半导体中的空穴能半导体中的电子能为上升，或半导体中的空穴能位下降位下降0,s maxmsmJk 但：但：对金属来说对金属来说m m很小很小. . 阻向，反向阻向，反向导致有空穴从金属流向半导体形成电流：导致有空穴从金属流向半导体形成电流：m ms s当当m ms s时，金属与时，金属与p p型半导体接触如图：型半导体接触如图：(a)(a)接触前接触前p 型型FECE金属金属m 杂质能级杂质能级ssE CES FEV

4、EaESES msmsFECEVEms msE p 型型金属金属(b)接触后接触后 接触后，电子从半导体流向金属，在半导体表面接触后，电子从半导体流向金属，在半导体表面形成空穴，在金属表面积积累电子，从而形成双电层。形成空穴，在金属表面积积累电子，从而形成双电层。对电子来说，界面处有相当大的位垒，但是对于空穴对电子来说，界面处有相当大的位垒，但是对于空穴来说，情况正好相反。因而空穴很易从空穴从半导体来说，情况正好相反。因而空穴很易从空穴从半导体流向金属，并瞬时得到中和。因为热激发，在金属导流向金属，并瞬时得到中和。因为热激发，在金属导带中形成的空穴也很易流入半导体，所以这种接触没带中形成的空穴

5、也很易流入半导体，所以这种接触没有整流效应，是欧姆接触有整流效应，是欧姆接触 有表面态的影响有表面态的影响 对于金属与半导体薄膜的接触：对于金属与半导体薄膜的接触：须进行研究须进行研究n n型半导体型半导体CdsCds薄膜薄膜碲，铂，金接触碲，铂，金接触整流接触整流接触铝，铬，铟接触铝，铬，铟接触欧姆接触欧姆接触(3) (3) 表面态对接触特性的影响表面态对接触特性的影响 接触界面的电荷分布和势垒是由金属表面态和接触界面的电荷分布和势垒是由金属表面态和半导体这三个电子系统的相互平衡决定，这三个系统半导体这三个电子系统的相互平衡决定，这三个系统美欧相互接触，如下美欧相互接触，如下 E EF F是

6、表面态处于电中性时的费米能级，可将是表面态处于电中性时的费米能级，可将它看成是填满的和空的表面能解的分界线。它看成是填满的和空的表面能解的分界线。FE金属金属m p 型型CEVEFES S FE 0 接触前接触前: :各自处于电中性的各自处于电中性的情况情况023gE Vs s：从表面态：从表面态E EF F到真空能解的能量到真空能解的能量0 0：从表面态：从表面态E EF F到导带底的能量到导带底的能量 硅，锗，砷化镓等硅，锗，砷化镓等 先讨论金属与表面态间的平衡先讨论金属与表面态间的平衡 m ms s 电子从金属流入半导体表面电子从金属流入半导体表面态态金属正，半导负，金属正，半导负，V相

7、应形成点位差相应形成点位差（金属一边为正）。（金属一边为正）。金属为正，金属为正，费米能级下降费米能级下降 整个金属能带下降整个金属能带下降q q 电子流进表面态电子流进表面态FE 表面态的费米能级升高表面态的费米能级升高 间隙间隙在在V FE 金属金属FE q V 0 n 型型VECEFEV0mFE sm FE 原来金属的费米能级比表面态的高（原来金属的费米能级比表面态的高（），），接触后，金属的费米能级下降接触后，金属的费米能级下降q q，表面态的费米能，表面态的费米能级上升级上升 从金属费米能级到半导体导带的能量，即位垒为：从金属费米能级到半导体导带的能量，即位垒为：在没有表面态时，界面

8、间距在没有表面态时，界面间距很小，其上电位差很小，其上电位差sm VFE 在补偿在补偿中，中，q q为主，为主，为辅。为辅。 Fsmq VE 平衡平衡很小可忽略在有表面态时，在很小可忽略在有表面态时，在上的电位差可达上的电位差可达一伏特的数量级，此处电场大一伏特的数量级，此处电场大.00 MFE 这说明金属和表面态上单位面积的电荷多再考虑与这说明金属和表面态上单位面积的电荷多再考虑与半导体内部取得平衡由于半导体内部的半导体内部取得平衡由于半导体内部的E Eg g高于金属和表高于金属和表面态的费米能级，电子将从半导体流向金属和表面态面态的费米能级，电子将从半导体流向金属和表面态双电层双电层0FE

9、 在半导体一边形成有一定厚度的正空间电荷区，在半导体一边形成有一定厚度的正空间电荷区，在空间电荷区中的电位差（半导体一边为正）在空间电荷区中的电位差（半导体一边为正）使半导体内的能带连同费米能级一起下降，最后使半导体内的能带连同费米能级一起下降，最后使金属表面态，半导体三个系统的费米能级都相同。使金属表面态，半导体三个系统的费米能级都相同。 在表面态很多，其能态密度很大的极端情况下，在表面态很多，其能态密度很大的极端情况下，不管表面态和金属交换多少电子，表面态的不管表面态和金属交换多少电子，表面态的E EF F都将都将变化很小，甚至认为：变化很小，甚至认为：金属金属n 型型FE FECEVE0

10、 M ms FnD E n 设设为单位面积上由金属到表面态的电子数为单位面积上由金属到表面态的电子数D D为表面态单位面积的态密度（单位能量）为表面态单位面积的态密度（单位能量） nq 所以，金属和表面态单位面积的电荷为所以，金属和表面态单位面积的电荷为00rrnqE 内内在在内的场强内的场强 （来源于电场高斯定理）（来源于电场高斯定理）0rnqVE d 内内V间的电位差间的电位差为：为：所以在所以在Fsmq VE 0smrnqnqD 由平衡条件：由平衡条件： Mm但在一般情况下，金属的逸出功但在一般情况下，金属的逸出功对对（势垒高度）（势垒高度）是有影响的，是有影响的，201smrqn qD

11、 201smrqnqD 2011FsmrnqEqDDD 200011MFmsrqEqDD 该式具体说明了势垒高度如何随金属逸出功该式具体说明了势垒高度如何随金属逸出功m 而变化的。而变化的。m 前面的系数是一个分数前面的系数是一个分数1 5.对于对于n n型硅：这个系数为型硅：这个系数为1 5.说明势垒高度的变化只有金属逸出功的说明势垒高度的变化只有金属逸出功的FE 实际的金属实际的金属半导体接触一般都具有较高哦半导体接触一般都具有较高哦阿德表面态高度，所以，达到平衡时，界面处阿德表面态高度，所以，达到平衡时，界面处费米能级必然很接近原来表面态的费米能级费米能级必然很接近原来表面态的费米能级F

12、E 对于大多数的主要半导体，对于大多数的主要半导体，在价带之上约在价带之上约1 3gE1 3处处m M m 随随变化的幅度要比变化的幅度要比小。小。CEVE3gE金属金属n 型型FEsqV 3gE金属金属p 型型CEVEFE(a) N(a) N型半导体型半导体(b) p(b) p型半导体型半导体金属金属- -半导体接触时的位垒半导体接触时的位垒1 3gEFE 由图可知，由图可知，处在处在图中图中V Vs s表示半导体表面相对于内部的电势差表示半导体表面相对于内部的电势差对于对于n n型半导体，能带向上弯，构成对电子的位垒型半导体，能带向上弯，构成对电子的位垒对于对于p p型半导体，能带向下弯，

13、构成对空穴的位垒型半导体，能带向下弯，构成对空穴的位垒 金属与半导体接触，一般都会形成位垒，金属与半导体接触，一般都会形成位垒，而构成整流接触而构成整流接触（价带之上）的位置，（价带之上）的位置，如果在金属如果在金属半导体接触时，无法避免产生位垒，半导体接触时，无法避免产生位垒，则可采用以下形成欧姆接触则可采用以下形成欧姆接触不论是不论是n n型或型或p p型半导体型半导体都将形成位垒都将形成位垒 第一种方法是用在半导体中高浓度掺杂，以减薄位垒，第一种方法是用在半导体中高浓度掺杂，以减薄位垒， 加强隧道效应。因为隧道长度就是空间电荷区的加强隧道效应。因为隧道长度就是空间电荷区的 宽度。而后者与半导体掺杂浓度的平方根成反比宽度。而后者与半导体掺杂浓度的平方根成反比 （单边突变结）（单边突变结） 第二种方法是在接触界