半导体的表面界面及接触现象.ppt

第五章 半导体的表面、界面及接触现象 半导体表面与MIS结构 1、表面电场效应 2、理想与非理想MIS结构的C-V特性 半导体— 半导体接触 金 属 — 半导体接触 1、阻挡层与反阻挡层的形成 2、欧姆接触的特性? §5-1 半导体的表面 一、理想表面和实际表面 理想表面：表面处的原子和电子状态同晶体内部的原子和电子状态一样。即表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。 实际表面又分为： 清洁表面：在表面没有吸附杂质，也没有被氧化的实际表面。 真实表面：表面原子生成氧化物或其它化合物 。 二、表面态 求解薛定谔方程 →在x=0处，出现新的本征值 →附加的电子能态 →表面态 清洁表面的电子态，称为本征表面态。 真实表面：吸附原子或 其它不完整性，产生表面 电子态，称为外诱表面态。 表面态可分为施主型表 面态和受主型表面态。 例如硅(111)面，在超高真空下可观察到(7×7)结构，即表面上形成以(7×7)个硅原子为单元的二维平移对称性结构 硅表面悬挂键示意图 由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴。N型硅表面带负电。 从硅表面态的实验测量中证实：其表面能级由两组组成：一组为施主能级，另一组为受主能级，靠近导带。 此外，在表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态： 其特点是，其数值与表面经过的处理方法有关，而达姆表面态对给定晶体在“洁净”表面时为一定值。 表面态对半导体各中物理过程有重要影响，特别是对许多半导体器件的性能影响更大。 §5-2 半导体的表面电场 一、形成表面电场的因素 1．表面态的影响 由于表面态与体内电子态之间交换电子，结果产生了垂直于表面的电场。 (EF)s→表面费米能级 (EF)s≠ EF 如果 (EF)s＜ EF 2．功函数的差异 WSWM，即(EF)S (EF)M，形成由金属?半导体的电场 如果WSWM， 即(EF)S(EF)M 半导体中的电子 向金属流动， 形成由半 ?金的电场 3．氧化层中的杂质离子 4．外加偏压 引入表面态的概念，说明表面态的来源。 热平衡状态下理想MIS结构中半导体的表面电场效应，包括表面势，表面空间电荷区的电场、电势和电容。 理想MIS结构的电容-电压特性，并讨论金属和半导体功函数差、绝缘层电荷对MIS结构的电容-电压特性的影响。 二、表面电场效应 研究在外加电场作用下半导体表面层内发生的现象。 1.表面态 晶体自由表面的存在使其周期性势场在表面处发生中断，引起附加能级，即表面态。 表面态可看作表面最外层的原子未饱和键（悬挂键）所对应得电子能态，另外表面处还有由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态。 表面态改变了晶体周期性势场，它和半导体内部交换电子和空穴，半导体表面状况会严重影响半导体器件和集成电路的电学特性，尤其是稳定性和可靠性。 2．空间电荷区和表面势 在金属中，自由电子密度很高，电荷基本上分布在一个原子层的厚度范围内；而在半导体中，自由载流子密度低得多，电荷必须分布在一定厚度的表面层内；这个带电的表面层称做空间电荷区。 在空间电荷区内，从表面到内部电场逐渐减弱，到空间电荷区的另一端，场强减小到零。 理想的MIS结构：M、S之间功函数差＝0；IS界面处不存在其它界面态；绝缘层中无电荷流动，I层不导电。 空间电荷层两端的电势差称为表面势，即表面与体内的电势差，用VS表示。 金属与半导体间所加的电压为VG 规定： 表面电势比内部高时，VS0， 表面电势比内部低时，VS0。 外加正偏压VG时(M为正)，电场由表面指向体内，VS0 外加反向偏压时，VG0，电场由体内指向表面，VS0 3．能带弯曲和载流子浓度的变化 (1) 能带弯曲 有表面势Vs存在时，空间电荷区内的电子受到一个附加电势的作用，电子的能量变为：EC ? qV(x)、Ev ? qV(x) 。位于空间电荷区内的X VG0，VS0时， 取负号，空间 电荷区的能带 从体内到表面 向下弯曲 空间电荷区的电势随距离逐渐变化，半导体表面相对体内就产生电势差，同时能带也发生弯曲。 表面势及空间区内电荷的分布随金属与半导体间所加的电压VG而变化，可归纳为堆积、耗尽和反型三种情况。 对于p型半导体，有三种情况： 1） 多数载流子堆积状态 2） 多数载流子耗尽状态 3） 少数载流子反型状态 (2) 载流子浓度 体内：EC，Ev 空间电荷区 ： V(x)0，能带向下弯