半导体物理第八章2014

1、本课程的主要内容是第八章半导体表面和MIS结构第九章半导体异质结第十章半导体的光学性质和光电和发光现象第十一章半导体的热电性质第十三章非晶半导体，一、半导体理论的发展历史是一、十九世纪末、二十世纪初，量子理论、固体理论的完善为半导体理论和技术的诞生奠定了理论基础2， 1947年12月23日，世界第一个晶体管出生于贝尔实验室，3，1952年英国人提出了集成电路的构想，4，1958年德克萨斯仪器公司基尔比领导的集团开发了世界第一个集成电路，5，上世纪50年代末，半导体理论有成熟和完全的倾向。 二、发展趋势1、高集成度2、大容量3 .体系化4、多功能。 三、目前正在研究的热点1、特征尺寸进入纳米尺度

2、2 .电路结构趋向SOC.低功耗、低电压驱动4 .波段工程5 .稀磁性半导体。 四、微电子技术面临的挑战缩小工艺的特征尺寸扩大硅直径，以往，推动微电子技术进步的“两个车轮”，现在这两个车轮面临着障碍，缩小工艺的特征尺寸瓶颈技术，光刻技术现在是193nm液下一代14纳米可能是坎。 解决方法：虽然采用更复杂的三次图案曝光技术，但是工艺的复杂性(曝光次数)和制造成本大幅增加，其二是采用革命性的14nmEUV光刻技术(所谓EUV是波长为13.5nm的远紫外光曝光技术)。 但是，现在EUV光源的输出仅为1020W，还达不到量产所需的250W。 目前，扩大硅片的直径主要受到成本等综合因素的限制，硅片的直径

3、从300nm过渡到450nm。 理论上，硅片直径的增大迟早会被采用。 硅片的面积扩大了2.25倍，但其成本仅增加约30%。 半导体行业对450nm晶片的热情还不高，首先半导体器件制造商的积极性不高，对450nm器件的投资达到200亿美元，因此研究开发成本可能无法回收。第二，半导体器件制造商的积极性也不高，达到100亿美元的工厂建设费用目前，对450纳米有能力、感兴趣的芯片制造商只有英特尔、三星和台湾电力三家。 2013年十大IC设计企业，五，中国2013年微电子产业发展概况，2013年十大制造企业，2013年十大封装测试企业，中国集成电路产业链各环节的规模和增长率(单位：亿美元)，2013年世

4、界半导体地区市场增长情况，第八章半导体表面和MIS结构，第一部分8.2表面空间电荷区的基本性质，8.3 MIS结构的C-V特性，8.4 Si-SiO2系统，8.5表面电导和表面迁移率，8.6表面电场对PN结特性的影响，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重要和重要， 其原因有三点： 1、利用半导体表面特有的效果开发了非常重要的新器件，如MOS器件、CCD器件等。 2 .半导体表面的状态对半导体器件的性能，特别是器件的稳定性和可靠性有很大影响。 3、随着微电子制造技术的进步，薄膜型器件不断出现，在薄膜型器件中，表面效应和表面性质起着决定性的作用。 8.1表面的基本概念，一、表、

5、界面的定义、表、界面是指从一个相向另一个相的转移区域。 表、界面通常在固-气、液-气、固-液、液-液、固-固气体和气体之间总是有均匀的系统，所以不存在表、界面。 习惯上把凝聚相和气相的界面(固-气、液-气)称为表面，把凝聚相的界面(固-液、液-液、固-固)称为界面。二、物理表面，一、理想表面意味着在固体材料中，表面的原子位置和电子密度与体内相同。 实际上，由于原子的排列在与表面垂直的方向上周期性地停止，因此表面附近的电子波函数产生大的失真，不存在理想的表面。 清洁表面是指无污染的化学纯表面，即吸附、催化反应、杂质扩散等一系列物理、化学效果的表面。 只能通过高温热处理、离子轰击计、真空劈开、真空

6、蒸镀等特殊方法得到清洁的表面。 必须在超高真空下维持。 2、在清洁表面的物理学中，一般将表面定义为从三维规则格子到体外空间之间的过渡区域，在该过渡区域中，周期格子严重紊乱，甚至完全变异。 (第三相)、二、物理表面在清洁表面上，豫表面附近的晶格常数发生了明显变化等多种与体内不同的结构和成分的变化。 重构表面的原子，形成与体内不同的晶面。 台阶是指出现比较规则的非完全平面结构的现象。 偏析是指溶液或溶质向相界、晶界或缺陷的凝聚。 外来原子吸附的表面。 吸附原子可以形成无序或有序的被复层。 被复层可以具有与基体相同的结构，也可以形成重构表面层。 复盖层的结构也有缺陷，随温度而变化。 3、吸附表面、3

7、、材料表面、材料科学研究表面包含了各种表面作用和过程相关的领域，其空间尺度和状态取决于作用影响范围的大小和材料和环境条件的特性。 1、机械作用界面：由机械作用形成的表、界面。 常见的机械作用有切削、研磨、研磨、喷砂、磨损等。 2、化学作用界面：表面反应、粘结、氧化、腐蚀等化学作用形成的界面。 3、固体结合界面：两个固体直接接触，通过真空、加热、加压、界面扩散、结合等途径形成的界面。 4、液相或气相生长界面：物质以原子大小的形态从液相或气相析出，在固体表面形成膜层或本体的界面。 5、凝固共生界面：两个固体同时从液相中凝固析出，共同生长的界面。 6、焊接界面：在固体表面形成熔融相，然后两者在凝固过

8、程中形成冶金结合的界面。、四，表面能水平，表面状态，表面实质上是结晶的周期性中断，或周期性的势场的中断，它必然在禁带中导入能水平，将该能水平称为表面能水平。 各表面原子对应于禁带的一个表面能级，这些表面能级以一定的规则构成表面能带。 根据固体理论解雪定诽谤方程式的话，可以得到表面能级分布的情况，即能得到状态密度，对应的状态称为表面状态。 从晶体结构来看，表面原子的排列不规则，表面多吸附有其他分子和原子。 本章讨论理想的表面，即结晶表面的原子排列有规则，非本体分子和原子不吸附的表面。 8.2表面空间电荷区的基本性质，一是表面空间电荷区的形成，半导体表面上产生表面空间电荷区的原因：一是功函数：由于

9、功函数的不同，金属和半导体接触时在半导体表面上形成空间电荷区2 .外电场：当外电场作用时，在半导体表面上能够形成空间电荷区； 表面状态：离子吸附在半导体表面的情况下，可以在半导体表面形成空间电荷区域.4.绝缘层中的电荷：与半导体接触的绝缘层中存在电荷的情况下，也可以在半导体表面形成空间电荷区域.一、表面空间电荷区域的形成，理想的MIS (金属-绝缘层-半导体)结构：金属与半导体之间的功函数差为零，即Wm=Ws； 绝缘层内没有电荷，且绝缘层完全没有导电； 绝缘层和半导体的界面不存在界面状态。另一方面，表面空间的电荷区域的形成，金属侧的电荷q分布在薄的薄层内，在原子层内。 另一方面，半导体中的-Q

10、分布在距表面层零点几微米厚的薄层上，形成了空间电荷区域。 在空间电荷区域中，从表面到体内的电场逐渐减少，到达空间电荷区域的相反侧，电场强度减少为零。 因为电场会变化，所以空间电荷区域内的电位也随着距离而逐渐变化，也就是说，从表面到体内存在电位差，所以带也弯曲。 空间电荷层两端的电位差称为表面电势，用VS表示。 规定：表面电位高于体内时，Vs0； 体内高于表面时，Vsps，此时半导体空间电荷区域内的负电荷由在耗尽层中被离子化的受主电荷QA和反型层中的电子电荷Qn两部分构成。 三、空间电荷区域的电场、电荷分布、电容与表面电位的关系，一、通式、空间电荷区域的电位满足的泊松方程式是：其中，半导体为非简

11、并半导体，空穴和电子浓度的式是：式中，Pp0和np0分别是半导体体内的热平衡空穴和电子的浓度，v是与pp和np对应的坐标x处的电位(半导体内部另外，因为半导体均匀掺杂，所以在半导体体内电中性条件成立：三、空间电荷区域的电场、电荷分布、电容与表面电位的关系、将pp和np的式代入(x )的式：三、空间电荷区域的电场、电荷分布、电容与表面电位的关系、三、空间电荷区域的电场、电荷分布、电容与表面电位的关系， 代入各量的式进行积分(积分极限从半导体体内到表面)整理后，LD是器件常数，表示屏蔽电场的空间电荷层的厚度等级。 在此称为：f函数，三，空间电荷区的电场、电荷分布、电容和表面电位的关系，因为在表面上

12、x=0，所以金属电极为正，即VS0时ES取正，QS取负的金属电极为负，即VS0时ES取正，QS取负的金属为负，即VS0时其中：3、空间电荷区域电场、电荷分布、电容与表面电位的关系、2 .各种表面层状态、VG0的情况下，表面电位和表面层内的电位都是负值，即VS0、V0、VS0，因此f函数可以简化，随着VS变大而变大，l 由于全电离时NA=pp0，因此VS0，ES为正，QS为负，随着VS变大，变大，变小，如果将Ld式代入CS，则由于全电离时NA=pp0，因此CS从上式可知，VS 相当于一个平行板电容器。三、空间电荷区的电场、电荷分布、电容与表面电位的关系，4 )固有状态，表面电位等于费米电位，VB

13、=VS0，VS大，另外，f函数简单，3，空间电荷区的电场、电荷分布、电容与表面电位的关系，5 )逆型状态，VG 0、v 反型，弱反型：但是反型不明显强反型：即，表示反型区的少子浓度进入比体内多子浓度强反型的标志是：f函数化是：所以：三、空间电荷区的电场、电荷分布、容量和表面势的关系，强反型的特征，空间进入强反型的.QS包含反型区域的电荷Qn和在耗尽区域被电离的受主电荷QA，即，在强反型的情况下，在反型层中随着VS的增大指数规律地急速增加的存储电子Qn阻断了外电场的作用，使表面耗尽层宽度成为极大值，xdmax表示半导体材料的性质和掺杂浓度此时，逆型电子的垂直界面方向的运动被量化，对应的电子能级分

14、裂，形成不连续的电子能级，但与电子的界面方向平行的运动不受限制。 该电子称为二维电子气。 三、空间电荷区域的电场、电荷分布、电容和表面电位的关系，6 )深的耗尽状态，在MIS的p型结构上施加高频正弦电压时，随着VG的急速变化，空间电荷区域内的少子的产生速度随着电压的变化，即带的弯曲跟不上电压的变化，不能确立反型层的情况下， 不存在反型电子的屏蔽作用，为了满足外电场的作用扩展到半导体体内更深的地方的电中性条件，产生大量的电离接受主电荷，在这种情况下，耗尽层比强反型的情况下的最大耗尽层宽度延伸得大得多，xd随着VG宽度变大，不产生反型层利用该状态形成了半导体材料的性能的测定方法。 例如，电容电压法

15、测定杂质浓度分布，电容时间法测定基板中的少子寿命。 电荷耦合器件(CCD )也在表面深的耗尽状态下工作。 总结，1 )多子沉积状态，2 )平带状态，ES=0 QS=0，3 )耗尽状态，总结，4 )本征状态，5 )反型状态，8.3 MIS结构的C-V特性，1，理想MIS结构的C-V特性，MIS结构实际上构成了一个电容器：金属层和半导体是其二1、理想的MIS电容的通式、理想状况假定：不考虑功函数的影响；忽略绝缘层中的电荷；忽略表面状态的影响；假定绝缘层不完全电导通。 在研究MIS结构的cv特性时，以每单位表面积的电容为基准，以p型半导体为例。 另一方面，因为理想的MIS结构的C-V特性，VG=Vi Vs是理想的MIS结构，所以绝缘层中的电场均匀，Vi=Eidi中di是绝缘层的厚度。 根据高斯定理，由于QM=Di，所以求出：即微分：一、理想的MIS结构的C-V特性，MIS结构的电容为：理想的MIS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，MIS结构的电容常用标准化电容， 理想MIS结构的C-V特性，1 )多子堆状态在大的情况下也大，在VS2VB的情况下，半导体表面成为强的逆型状态，在强的逆型的情况下，VS为正，数值大，上式表示MIS的