半导体器件原理-第三章

1、半导体器件原理Principles of Semiconductor Devices,第三章：金属半导体和半导体异质结 刘宪云 逸夫理科楼229室,第三章：金属半导体和半导体异质结,3.1 肖特基势垒二极管 3.2 金属半导体的欧姆接触 3.3 异质结 3.4 小结,2,能带图 : 功函数，单位为伏特。从费米能级将一个电子移到刚巧在该种材料之外的一个位置（真空能级）所需的能量。 ：电子亲和能，单位伏特。从导带底将一个电子移到刚巧该种材料之外的一个位置（真空能级）所需的能量。,EF,金属的功函数和半导体的电子亲和能都是材料本身的本征参数，它们都反映了材料中能级相对于真空电子能级的相对位置。,部分

2、金属和半导体的参数,3.1肖特基势垒二极管,肖特基二极管是以其发明人华特肖特基博士（Walter Hermann Schottky，1886年7月23日1976年3月4日）命名的，SBD是肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode,缩写成SBD）的简称。 SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体整流接触形成的金属半导体结原理制作的。因此，SBD也称为金属半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管。 肖特基二极管是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4

3、V左右，而整流电流却可达到几千毫安。这些优良特性是快恢复二极管（简称FRD）所无法比拟的。,5,全球知名半导体制造商ROHM开发出非常适用于服务器和高端计算机等的电源PFC电路的、第3代SiC（SiliconCarbide:碳化硅）肖特基势垒二极管,最低正向电压VF=1.35V、25,近年来，在太阳能发电系统、工业用各种电源装置、电动汽车及家电等电力电子领域，为提高功率转换效率以实现进一步节能，更高效率的功率元器件产品备受期待。SiC器件与以往的Si器件相比，具有优异的材料特性，在这些领域中的应用日益广泛。尤其是在服务器等这类要求更高电源效率的设备电源中，SiC-SBD产品因其快速恢复特性可有

4、效提高效率而被用于PFC电路来提高设备效率。,3.1肖特基势垒二极管,接触前：半导体费米能级高于金属，半导体中的电子流向比它能级低的金属中，而带正电的空穴仍留在半导体中，从而形成一个空间电荷区（耗尽层）。,半导体导带中得电子向金属中移动存在势垒Vbi，就是半导体的内建电势差：,7,理想肖特基势垒：带边相对于参考能级(真空电子能级)位置不变,考虑金属与n型半导体接触,参数B0是半导体接触的理想势垒高度（肖特基势垒）：,m s,外加电压后，金属和半导体的费米能级不再相同，二者之差等于外加电压引起的电势能之差 反偏情况下，半导体-金属势垒高度增大，金属一边的势垒不随外加电压而改变，即：B0不变。 反

5、偏势垒变高为： Vbi + VR 半导体一边，加正偏，势垒降低为Vbi - Va 。 B0仍然不变。,肖特基势垒的能带图（a）未加偏压（b）加正向偏压 （c）加反向偏压,可以看到在偏压下，肖特基结的势垒高度变化情况与pn结类似,MS，整流接触 正偏：半导体势垒高度变低，电子从S注入M，形成净电流I，I随VA的增加而增加。 反偏：势垒升高，阻止电子从半导体向金属流动，金属中的一些电子能越过势垒向半导体运动，但这一反向电流很小。 结论： MS时，理想的MS接触类似于pn结二极管，具有整流特性。,肖特基二极管：正偏时，半导体中电子形成的势垒减小，作为多子的电子更容易从半导体流向金属。,理想结特性 用

6、与处理pn结类似的方法来确定肖特基结的静电特性 假定半导体掺杂均匀,空间电荷密度,半导体介电常数,边界条件：x=xn时，E=0,空间电荷区宽度,在突变结近似的条件下求出空间电荷区宽度,若在整个耗尽区内为Nd常数，做 V关系应该为直线。,单位面积的耗尽层电容,解 Ge电子亲和势为：=4.13 eV，耗尽区宽度为：,例 受主浓度为Na=1017 cm-3 的p型Ge，室温下的功函数是多少？若不考虑界面态的影响，它与Al接触时形成整流接触还是欧姆接触？如果是整流接触，求其肖特基势垒的高度。,肖特基模型预言的势垒高度很难在实验中观察到 , 实测的势垒高度和理想条件存在偏差. 原因: 1)不可避免的界面

7、层0 2)界面态的存在 3)镜像力的作用,3.1肖特基势垒二极管,3.1肖特基势垒二极管,镜像力对势垒高度的影响（肖特基效应） 界面态的影响,14,影响肖特基势垒高度的非理想因素,3.1肖特基势垒二极管 非理想因素,镜像电荷,电子,一、镜像力对势垒高度的影响 在金属-真空系统中，一个在金属外面的电子，要在金属表面感应出正电荷，同时电子要受到正电荷的吸引； 镜像力和镜像电荷：若电子距离金属表面的距离为x，则电子与感应正电荷之间的吸引力相对于位于（-x）处时的等量正电荷之间的吸引力。 正电荷叫镜像电荷，吸引力叫镜像引力。,金属 -真空系统,金属功函数为 qm，当金属表面加电场时，有效功函数(或势垒

8、)降低。这种降低来自电场和镜象力的联合效应。,1.无电场时，将金属中的电子移到真空，需要能量qm 。 2.以金属表面为势能零点。 3.有外加电场，不考虑镜像力，真空中的电子的电势能随着离开金属表面的距离增加，按照-q|E|x降低。 4.若考虑到真空中电子在金属表面感生的正电荷，有镜像力和镜像势能存在。 5.结果，电子的能量由电场力和镜像力联合作用，使有效功函数降低。,在金属表面和真空之 间的能带图。,真空中一个电子与金属相距x，在金属表面感生正电荷，电子与感生电荷之间的吸引力（镜像力）,将一个电子从无穷远移到x点过程中所作的功：,相当于距金属表面x处的一个电子势能。,电势表达式： 半导体中存在

9、内建电场和内建电势，总电势 电势能为：,肖特基效应：势垒的镜像力降低,19,在无穷远处电势为0,在电介质中距离x处的电子能够形成电场，电场线与金属表面必须垂直，与另一个置于与金属表面同样距离的假想电荷（+e）形成的电场线相同,假设不存在电场时的电势能曲线。,在恒定电场影响下，电子的势能曲线,镜像力的势能将叠加到理想肖特基势垒上，势能在x=xm处出现最大值，【镜像力和电场力平衡的地方】，说明镜像力使肖特基势垒顶向内移动，并且引起势垒高度降低，这就是肖特基势垒的镜像力降低现象，又叫做肖特基效应。,镜像力使实际的势垒高度降低，可求出势垒的最大高度和对应的xm,势垒高度的变化量非常小，但从后边可以看到

10、，势垒高度和电流-电压关系呈指数关系变化，因而微小的势垒高度变化将会导致明显的电流变化,3.1肖特基势垒二极管 非理想因素,在高电场下，肖特基势垒大大降低。,3.1肖特基势垒二极管 非理想因素,二、界面态对势垒高度的影响 实验发现，很多半导体在与金属形成金-半接触时，半导体中的势垒高度几乎与所用金属无关，只与半导体有关，几乎是常数。 理想MS接触认为接触势垒仅由金属的功函数决定，实际上半导体表面存在的表面态对接触势垒有较大影响。 表面态位于禁带中，对应的能级称为表面能级，表面态分为施主型和受主型两类。 若能级被电子占据时呈电中性，释放电子后呈正电，称为施主型表面态。 若能级空着时呈电中性，而接

11、受电子后呈负电，称为受主型表面态。,3.1肖特基势垒二极管 非理想因素,界面态的影响,施主型表面态：能级释放电子后显正电性。,受主型表面态：能级接受电子后显负电性。,23,电中性条件 当表面态有净的正电荷存在时，造成半导体内正施主电荷量减少，从而使得空间电荷区缩短，势垒降低； 当表面态有净的负电荷存在时，造成半导体内正施主电荷量增多，从而使得空间电荷区加宽，势垒增高； 实际肖特基势垒高度是电场强度和表面态的函数。由于表面态密度无法预知，所以势垒高度是一个经验值,3.1肖特基势垒二极管 非理想因素,与pn结不同，主要靠多数载流子的运动来决定电流的情况。,电流-电压关系,25,电流输运过程,正偏电

12、压下的五种基本输运过程,从半导体金属，越过势垒（中等掺杂，中等温度主要过程） 穿过势垒，量子隧穿（重掺杂，低温，主要针对欧姆接触 在空间电荷区扩散 在耗尽区内电子扩散 空穴从金属注入并扩散到半导体（相当于中性区的复合） 其它： 边缘漏电流，界面电流,1、从半导体金属，越过势垒,高迁移率半导体热发射理论 低迁移率半导体扩散理论 二者综合：广义的热电子扩散理论,两个过程： 电子扩散漂移通过耗尽层，再从半导体向金属发射,热电子发射电流 当载流子迁移率较高，相应的平均自由程ln很大，以至于远远大于势垒区厚度xD时( ln xD )适用于此理论。 对于电子而言，势垒的形状并不重要，起决定作用的是势垒顶点

13、的高度半导体体内的电子只要有足够的能量超过势垒的顶点，就可以自由地通过阻挡层进入金属；同样，金属中能超越势垒顶的电子也能达到半导体体内；所以电流的计算就归纳为计算超越势垒的载流子数目，这就是热电子发射理论。 显然，热电子发射电流与体内电子的能量分布有关。,3.1肖特基势垒二极管 电流电压关系,1)热电子发射理论(Bethe提出, 通常的高迁移率半导体, Si, GaAs),3.1肖特基势垒二极管 电流电压关系,电流流过热电子发射过程的输运,电子由半导体流向金属所引起的电流密度可表示为： 其中Ec是通过热电子发射至金属所需的最小能量，vx是载流子沿着电流输运方向的速度； 满足热电子发射条件的电子

14、浓度的微分值为： 其中N(E)为导带的态密度，F(E)为费米狄拉克概率分布函数,3.1肖特基势垒二极管 电流电压关系,假设仍然满足麦克斯韦玻尔兹曼近似条件，则有： 假设半导体材料中电子的能量高于Ec部分均为电子的 动能，则有： 从半导体向金属的净电流密度为,3.1肖特基势垒二极管 电流电压关系,其中A*为有效理查德森常数,正偏条件下金属半导体之间形成肖特基结的能带图及其电路符号,3.1肖特基势垒二极管 电流电压关系,流过肖特基结的总电流可表示为电子由半导体流入金属中所引起的电流Js m与电子由金属流入半导体中所引起的电流Jm s之差，即：,由热平衡总电流为零知：,电流的正方向定义ms，因此可得

15、：,上述方程也可表示为通常二极管电流方程形式，即：,和pn结相同的电流变化规律,3.1肖特基势垒二极管 电流电压关系,其中：称为肖特基结二极管的反向饱和电流密度。式中Bn通常即为理想情况下的肖特基势垒高度B0，对于硅材料来说，有效理查逊常数为A*=120A/cm2K2，对于砷化镓材料来说，则为A*=1.12A/cm2K2。,A*和有效质量有关，实际是与状态密度有关,3.1肖特基势垒二极管 电流电压关系,3.1肖特基势垒二极管 与PN结比较,肖特基势垒二极管 反向饱和电流密度：,理想pn结二极管 反向饱和电流密度：,虽然J-V形式很相似，但反向饱和电流密度有很大差异 1、电流输运机构不同。pn结

16、二极管的反偏电流主要由少数载流子的扩散运动决定的，而肖特基二极管中得电流由多数载流子通过热电子发射跃过内建电势差而形成的。Pn结比肖特基二极管小23个数量级。,35,3.1肖特基势垒二极管 与PN结比较,36,肖特基结二极管的开启电压：0.3V左右 pn结二极管的开启电压0.6V左右,3.1肖特基势垒二极管 与PN结比较,2. 两种二极管正偏时的特性也不同，肖特基二极管的开启电压低于pn结二极管的有效开启电压。 3. 二者的频率响应特性，即开关特性不同。 pn结从正偏转向反偏时，由于正偏时积累的少数载流子不能立即消除，开关速度受到电荷存储效应的限制；肖特基势垒二极管，由于没有少数载流子存储，可

17、以用于快速开关器件，开关时间在皮秒数量级，其开关速度受限于结电容和串联电阻相联系的RC延迟时间常数。工作频率可高达100GHz，而pn结的开关时间是纳秒数量级。,3.1肖特基势垒二极管 与PN结比较,开关特性 pn结二极管靠少子扩散运动形成电流，外加正偏电压时少子首先形成一定的积累，再靠扩散运动形成电流。 肖特基二极管的电流取决于多子通过内建电势的发射电流。外加正偏电压时直接形成漂移电流流走。,38,第三章：金属半导体和半导体异质结,3.1 肖特基势垒二极管 3.2 金属半导体的欧姆接触 3.3 异质结 3.4 小结,39,3.2 金属-半导体的欧姆接触,任何半导体器件最后都要用金属与之接触，

18、并由导线引出，因此，获得良好的欧姆接触是十分必要的。 欧姆接触是接触电阻很低的结，理想状态下，欧姆接触所形成的电流是电压的线性函数。 两种欧姆接触： 使表面不产生势垒的接触 隧道效应,40,理想非整流接触,N型（半导体）欧姆接触：金属功函数小于半导体功函数,偏压下电子在金属-半导体界面传输时，遇到的势垒很小,N型欧姆接触往往采用功函数较小的金属，如Al,3.2 金属-半导体的欧姆接触,P型（半导体）欧姆接触：金属功函数大于半导体的功函数,偏压下电子在金属-半导体界面传输时，遇到的势垒很小,P型欧姆接触往往采用功函数较大的金属，如Pt,3.2 金属-半导体的欧姆接触,理想情况下，我们选用功函数合

19、适的金属和半导体就可以形成欧姆接触，但实际Si、Ge、GaAs这些半导体的表面都有很高的表面态密度，无论是N型材料还是P型材料的接触都无法有效降低势垒，因而这种方法通常并不成功。,前述没有考虑界面态的影响。实际由于界面态的影响，很难很好的形成欧姆接触. 因此，实际的欧姆接触采用隧道效应。 提高表面杂质浓度，利用隧道效应制成的欧姆接触，这是目前在生产实践中主要使用的方法。,44,3.2 金属-半导体的欧姆接触 隧道效应,利用隧道效应形成欧姆接触：高掺杂薄势垒强隧道效应欧姆接触,掺杂浓度增大，隧道几率增大,有效质量越小，越利于隧穿,隧道电流和势垒高度也有关系,隧道电流：,隧道电流随掺杂浓度的增大而

20、指数增大。,3.2 金属-半导体的欧姆接触 隧道效应,接触电阻 接触电阻Rc 对于低掺杂的整流接触来说，电流-电压关系为热电子发射机制，因而单位接触电阻为：,I-V曲线在零偏下斜率的倒数,对于低掺杂金-半接触来说，接触电阻强烈依赖于势垒高度Bn,3.2 金属-半导体的欧姆接触 比接触电阻,对于高掺杂浓度的金属-半导体结来说，隧道效应将起到主要作用。其单位接触电阻为： 当掺杂浓度低于1017时，金-半接触主要为热电子发射机制；当浓度大于1019时，隧道效应将占据主导地位；在两者之间时，则两种电流成分兼有。 制作欧姆接触需要提高表面掺杂和降低界面势垒。但实际上欧姆接触的制作需要大量的实践经验。对于

21、禁带宽度比较大的半导体来说，欧姆接触的制作更加困难。,高掺杂的金属-半导体结的接触电阻强烈依赖于掺杂浓度,3.2 金属-半导体的欧姆接触 比接触电阻,Rc随Nd呈指数规律变化。,扩散界面和合金化 实际金属-半导体界面总是一个过渡界面，这来源于金属和半导体原子的相互扩散（典型为10个原子层厚度） 在一定温度（200oC800oC）进行退火会加剧这种互扩行为，从而使过渡区更宽。,金属-半导体原子之间可能只是简单共熔，也可能形成由特定比例金属原子和半导体原子构成的化合物，如硅化物；硅化物一般为多晶态，大小与金属的晶粒相当，表现出金属性。由于退火导致金属扩散至半导体内部，形成金属化的硅化物区域，因而避

22、开了表面沾污，表面悬挂键形成的表面态的影响，因而可以更稳定的形成欧姆接触。,3.2 金属-半导体的欧姆接触 比接触电阻,一般而言，无论是哪种欧姆接触方式，都要求半导体尽量高的掺杂浓度 一般需要在一定的温度下进行退火 实际的欧姆接触制作往往极端依赖于半导体材料的重掺杂，表面处理、金属和退火工艺。实际经验在欧姆接触的制备过程中是非常重要的。,3.2 金属-半导体的欧姆接触 比接触电阻,第三章：金属半导体和半导体异质结,3.1 肖特基势垒二极管 3.2 金属半导体的欧姆接触 3.3 异质结 3.4 小结,50,3.3 异质结 形成异质结的材料,以前讨论的pn结，是由导电类型相反的同一种半导体单晶体材

23、料组成，也称同质结。 半导体异质结是指由两种不同的半导体材料构成的结；由于形成异质的两种材料通常具有不同的禁带宽度和电子合能，异质结的能带图是可以多种多样的；与两种材料的不同性质相连系，异质结具有许多独特的性质。 不仅能给器件的设计提供更多的自由度，而且可能提供新的技术利用。,51,一个良好的异质结要求有小的界面态密度；过高的界面态密度会使异质的电学性质劣化，这是许多异质结常常面临的问题，形成异质结的两种材料的晶格常数应是相近的，晶格常数的失配会在界面产生大量的悬挂键，从而形成大量界面态。 半导体异质结构的形成往往依赖于高精度的外延技术，如MBE、MOCVD等。 半导体异质结可根据材料的导电类

24、型分成同型异质结和异型异质结。,导电类型相同的材料构成的异质结称为同型异质结； 如：n-N Ge-Si，n-N Si-GaAs，p-P Si-GaP ； 导电类型相反的材料构成的异质结称为异型异质结； 如：p-N Ge-GaAs,n-P Ge-GaAs； 在以上所用的符号中，一般都是将禁带宽度较小的材料写在前面。,3.3 异质结 能带图,由于构成异质结的是不同的材料，它们的晶格常数一般是不相同的，所以在异质结中晶格失配是不可避免的。由于晶格失配，在两种半导体材料的交界处产生了悬挂键引入界面态;,3.3 异质结 能带图,在异质结交界面处，在晶格常数小的半导体中出现了一部分不饱和悬挂键。,理想突变异质结：假设两种材料晶体结构、晶格常数、热膨胀系数相同，忽略悬键的产生和界面态。,分析几种同型和异型异质结。通常设右侧材料具有较宽的带隙。,几种不同的异质结能带组合方式 不同的能带组合方式结合不同的导电类型组合，形成了种类丰富的异质结结构 跨骑、交错、错层,跨骑,交错,错层,真空能级,3.3 异质结 能带图,3.3 异质结 能带图,接触前,接触后， 电子从np； 空穴从pn； N区存在正空间电荷区； P区存在负空间电