第6讲半导体表面与MIS结构

1、固体电子学基础II,姜胜林,华中科技大学电子系教授，博士生导师西七楼309室，Tel:87542693Email:2007年,40学时,本章内容提要,表面态表面电场效应MIS结构C-V特性硅二氧化硅系统表面电导,CMOS集成电路工艺-以P阱硅栅CMOS为例,BST铁电薄膜单元红外探测器的结构示意图,自然科学基金,博士论文,新型铁电薄膜及其铁电半导体场效应器件基础研究,Si基铁电场效应晶体管的制备与特性研究,用于存储器的SrBi2Ta2O9铁电薄膜及其铁电/半导体异质结构的研究,SOC（自然科学基金重大专项）,表面：固体与真空之间的分界面。界面：不同相或不同类的物质之间的分界面。,固体有限,表面

2、,界面,周围的环境相互作用,物理和化学特性产生很大影响,新兴的多学科综合性边缘学科,表面电场效应,表面态,表面电导及迁移率,硅二氧化硅系统（了解）,MIS结构电容电压特性,清洁表面：一个没有杂质吸附和氧化层的实际表面真实表面：由于环境的影响，实际接触的表面往往生成氧化物或其他化合物，还可能有物理吸附层，甚至还有与表面接触过的多种物体留下的痕迹。,6.1表面态,1.理想表面和实际表面,理想表面：表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。实际表面,清洁表面,表面驰豫：沿垂直表面方向偏离平衡位置,表面重构：沿平行表面方向偏离平衡位置,总结：“表面”并不是

3、一个几何面，而是指大块晶体的三维周期结构与真空之间的过渡区，它包括了所有不具有体内三维周期性的原子层。,硅理想表面示意图,表面能级示意图,一定条件下，每个表面原子在禁带中对应一个表面能级,2.表面态,体内：周期性势场因晶体的不完整性（杂质原子或晶格缺陷）的存在而受到破坏时，会在禁带中出现附加能级。表面：在垂直表面的方向上破坏了原来三维无限晶格的周期性,晶格电子的势能在垂直表面的方向上不再存在平移对称性,哈密顿的本征值谱中出现了一些新的本征值,附加电子能态（表面态）,形成机理：塔姆(Tamm)表面态：晶格中断引起，能量位于禁带中（1932年），与杂质能级相联系的表面态肖克莱(shockley)表

4、面态：（源于原子能级）晶格常数小于某一数值以至能带发生交迭时才可能分裂出两个位于禁带当中的定域于表面的能态（1939年）,与势场在两原子层中间突然终止相对应,存在状态：本征表面态：即清洁表面的电子态，表面驰豫和表面重构对表面电子态影响大（没有外来杂质）外诱表面态：表面杂质，吸附原子和其他不完整性产生,表面态特性：可以成为半导体少数载流子有效的产生和复合中心，决定了表面复合的特性。对多数载流子起散射作用，降低表面迁移率，影响表面电导。产生垂直半导体表面的电场，引起表面电场效应。,补充：金属半导体接触及其能级图（复习）,与电子作用：类施主态：空态时带正电，被一个电子占据后为中性的表面态类受主态：空

5、态时为中性，被一个电子占据后带负电的表面态,金属和半导体的功函数,功函数：金属中的电子从金属中逸出，需由外界供给它足够的能量，这个能量的最低值被称为功函数,Wm=E0-(EF)m,金属中的电子势阱,半导体的功函数和电子亲和能,E0为真空电子能级,Ws=E0-(EF)s,x=E0-Ec,Ws=x+Ec-(EF)s=x+EnEn=Ec-(EF)s,电子亲和能,6.2表面电场效应,1.表面电场的产生,表面态与体内电子态之间交换电子金属与半导体接触时，功函数不同，形成接触电势差半导体表面的氧化层或其它绝缘层中存在的各种电荷，绝缘层外表面吸附的离子MOS或MIS结构中，在金属栅极和半导体间施加电压时离子

6、晶体的表面和晶粒间界,2.空间电荷层和表面势（金属与半导体间加电压）,外加表面电场,空间电荷层,空间电荷层：为了屏蔽表面电场的作用，半导体表面所形成有一定宽度的“空间电荷层”或叫“空间电荷区”，其宽度从零点几微米到几个微米。,表面势,MIS结构,表面空间电荷区内能带的弯曲,假设：金半接触的功函数差为零；绝缘层内无电荷；绝缘层与半导体界面处不存在任何界面态。,表面电场和表面势,注意研究的区域,金属中自由电子密度高，电荷分布在一个原子层的厚度,自由载流子密度要低得多,表面势：空间电荷层内的电场从表面到体内逐渐减弱直到为零，电势发生相应变化，电势变化迭加在电子的电位能上，使得空间电荷层内的能带发生弯

7、曲，“表面势VS”就是为描述能带变曲的方向和程度而引入的。,表面电场可以改变表面电导表面空间电荷层的电荷与Vs有关，表现出电容效应,表面电势比内部高时取正值。表面势及空间电荷区内电荷的分布情况随金属与半导体间所加电压VG而变化，分为堆积、耗尽和反型三种情况。由波耳兹曼统计，表面层载流子浓度ns、ps和体内平衡载流子浓度n0、p0的关系为：,理想MIS结构（p型）在各种VG下的表面势和空间电荷分布（a）多子堆积；（b）多子耗尽；（c）反型,VGV0VS（V0为绝缘层压降）,注意,(1)多数载流子堆积状态（p型）,(2)多数载流子耗尽状态,(3)少数载流子反型状态,能带上弯,热平衡时EF为定值,价

8、带顶与EF靠近价带空穴浓度增加,表面层空穴堆积（正电荷）,能带下弯,价带顶离EF越远价带空穴浓度降低,表面层空穴耗尽（负电荷，电离受主）,VG0,进一步增加,能带进一步下弯（EF高于Ei）,电子浓度超过空穴浓度，反型层（负电荷，电离受主、电子）,VBVs0,VsVB0,qVB（EiEF）体内势,反型状态,弱反型：,强反型：,推导强反型的条件Vs2VB及VB值（设非简并条件下受主全部电离）,p型半导体表面反型时的能带图,n型半导体如何讨论！,弱反型,强反型,表面空间电荷层的电场、电势和电容有何特征？,p型硅中，|QS|与表面势Vs的关系,求解泊松方程,表面层中电场强度Es、电势,高斯定理,表面空

9、间电荷层,Vs向负值方向增大，Qs急剧增加,Es0，Qs0，C（平带电容）,Es，Qs正比于(Vs)1/2,弱反和强反变化不同,表面电场，表面电荷和表面层电容都随VS指数增长（强反型状态（VS2VB）,反型层中电子浓度增加,随VS指数增长的电子浓度完全屏蔽了其后继续增长的外电场,表面耗尽层的厚度将达到一个最大值，不再随外电场增长而加宽,表面出现的高电导层，形成了新谓“反型沟道”(MOS晶体管工作依据),总结：,Vs0,Vs=0,VBVs0,Vs=VB0,VsVB0,强反型Vs2VB,MOS器件,平衡态：（VG不变或速率慢）,(4)深耗尽状态,施加幅度较大的正栅压,形成反型层（稳定）,（过渡过程

10、）深耗尽状态,加压瞬间，电子来不及产生，无反型层,宽度（随正栅压增大而增大）很宽的耗尽层中的电离受主补偿金属栅极大量正电荷（电中性要求）,Vs特别大，-qVs特别低，电子的表面深势阱,不稳定态,表面电场幅度较大，变化快,少子来不及产生无反型层,多子（空穴）进一步向体内,深耗尽状态（非平衡态）,CCD工作的基础,不稳定态,耗尽层载流子浓度小于平衡浓度，产生率大于复合率，电子-空穴对产生,电子和空穴分别向表面和体内运动,空穴到达耗尽层与体内中性区交界处，中和电离受主，耗尽层宽度减小,反型层形成,耗尽层宽度一定,产生率等于复合率,达到稳定状态,引入代表信息的电子电荷,填充电子势阱,势阱深度的减小与存

11、储的电荷量成正比,电子向表面运动,Why?,MOS栅极施加脉冲电压时，能带和相应的势阱变化,电子表面深势阱,非稳态,稳态,3.MOS场效应晶体管及CCD器件,(1)MOS场效应晶体管,N沟道MOS场效应晶体管结构示意图,（源）,（栅）,（漏）,N沟道,SD：n+-p-n+结，之间加电压只有很小电流,G加外电场足够强：S与D之间二氧化硅以下p型硅出现反型层,栅极电场强度,沟道宽窄,调制半导体导电能力,如何正确画出来!,(2)电荷耦合器件（Charge-CoupledDevices,CCD）,三相电荷耦合器件,输入二极管,输出二极管,输出栅,输入栅,时钟输入,MOS栅极施加脉冲电压时，能带和相应的

12、势阱变化,电子表面深势阱,CCD与MOS应用：MOS是在金属栅极上加电压使半导体表面形成反型层而进行工作CCD是在金属栅极上加电压使半导体表面形成耗尽状态进行工作,深耗尽状态,电子深势阱,引入电子电荷,代表信息,表面势减小,势阱深度减小与存储电荷量成正比,势阱填充,电荷的存储和传输（信息）,不同时刻控制不同的势阱深度,6.3MIS结构的电容电压特性（C-V）,1.理想MIS结构的C-V特性,MIS结构电容,MIS结构的等效电路,耗尽状态：VG增加，xd增大，Cs减小，CD段Vs2VB时：EF段（低频）高频时：反型层中电子数量不能随高频信号而变，对电容无贡献，还是由耗尽层的电荷变化决定（强反型达

13、到xdm不随VG变化，电容保持最小值）；GH段,MIS结构C-V曲线,绝对值较大时，CC0，AB段（半导体看成导通）绝对值较小时，随V增加而减小，BC段,CFB,（1）VG0,（2）VG0,（3）VG0,理想MIS结构的C-V曲线（以p型为例）,频率对MIS的C-V特性影响,n型半导体MIS结构的C-V特性,2.金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性的影响,p型硅的功函数金属Al,电子从金属流向半导体,产生指向半导体的内部电场,达到平衡，费米能级相等,施加平带电压,抵消功函数不同产生的电场和能带弯曲,VFBVms,功函数对C-V特性曲线的影响,3.绝缘层中电荷对MIS结构C-V特性的影响,同理，当MIS结构的绝缘层中存在电荷时，同样可引起C-V曲线沿电压轴平移VFB,薄层电荷Q,感应,金属表面、半导体表面层符号相反电荷,半导体空间电荷层产生电场,6.4硅二氧化硅系统的性质（了解）,BST铁电薄膜热释电单元红外探测器结构示意图,BST铁电薄膜热释电单元红外探测器,BST铁电薄膜热释电红外探测器制备工艺步骤,二氧化