半导体物理 第8章 半导体表面和MIS结构

1、第第8 8章章 半导体表面和半导体表面和MISMIS结构结构本章重点：本章重点：n表面态概念表面态概念n表面电场效应表面电场效应nMISMIS结构电容结构电容- -电压特性电压特性n硅硅- -二氧化硅系统性质二氧化硅系统性质8.18.1表面态表面态n理想表面：表面层中原子排列的对称性与体内理想表面：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。的半无限晶体表面。n在半导体表面，晶格不完整性使势场的周期性在半导体表面，晶格不完整性使势场的周期性被破坏，在禁带中形成局部状态的能级分布被破坏，在禁带中形成局部状态的能级

2、分布（产生附加能级），这些状态称为（产生附加能级），这些状态称为表面态表面态或或达达姆能级姆能级。 清洁表面的表面态所引起的表面能级，彼此清洁表面的表面态所引起的表面能级，彼此靠得很近，形成准连续的能带，分布在禁带内。靠得很近，形成准连续的能带，分布在禁带内。n从化学键的角度，以硅晶体为例，因晶格在表面处突然终从化学键的角度，以硅晶体为例，因晶格在表面处突然终止，在表面最外层的每个硅原子将有一个未配对的电子，止，在表面最外层的每个硅原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键，这个键称为即有一个未饱和的键，这个键称为悬挂键悬挂键，与之对应的电，与之对应的电子能态就是表面态。子能态就是表面态。

3、n实际表面由于薄氧化层的存在，使硅表面的悬挂键大部分实际表面由于薄氧化层的存在，使硅表面的悬挂键大部分被二氧化硅层的氧原子所饱和，表面态密度大大降低。被二氧化硅层的氧原子所饱和，表面态密度大大降低。n此外表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的此外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；这种表面态的数值与表面经过的处理方法有关。表面态；这种表面态的数值与表面经过的处理方法有关。n由表面态（表面能级）的性质和费米能级的位由表面态（表面能级）的性质和费米能级的位置，它们可能成为置，它们可能成为施主或受主能级施主或受主能级，或者成为，或者成为电子空穴对的电子空穴对的复合中心复合中

4、心。 半导体表面态为施主态时，向导带提供电子后半导体表面态为施主态时，向导带提供电子后变成正电荷，表面带正电；若表面态为受主态，变成正电荷，表面带正电；若表面态为受主态，表面带负电。表面带负电。 表面附近可动电荷会重新分布，形成空间电荷表面附近可动电荷会重新分布，形成空间电荷区和表面势，而使表面层中的能带发生变化。区和表面势，而使表面层中的能带发生变化。8.28.2表面电场效应表面电场效应8.2.18.2.1空间电荷层及表面势空间电荷层及表面势表面态表面态接触电势差接触电势差外加电场外加电场.321表面空间电荷区的形成：表面空间电荷区的形成：外加电场作用于半导体表面外加电场作用于半导体表面8.

5、28.2表面电场效应表面电场效应8.2.18.2.1空间电荷层及表面势空间电荷层及表面势电场电场电势电势电子势能电子势能表面能带表面能带8.28.2表面电场效应表面电场效应8.2.18.2.1空间电荷层及表面势空间电荷层及表面势n表面势：空间电荷层两端的电势差为表表面势：空间电荷层两端的电势差为表面势，以面势，以V Vs s表示之，规定表面电势比内表示之，规定表面电势比内部高时，部高时，V Vs s取正值；反之取正值；反之V Vs s取负值。取负值。n三种情况：多子堆积、多子耗尽和少子三种情况：多子堆积、多子耗尽和少子反型。反型。8.2.28.2.2表面空间电荷层的电场、电表面空间电荷层的电场

6、、电势和电容势和电容n规定规定x x轴垂直于表面指向半导体内部，表轴垂直于表面指向半导体内部，表面处为面处为x x轴原点。轴原点。n采用一维近似处理方法。空间电荷层中采用一维近似处理方法。空间电荷层中电势满足泊松方程电势满足泊松方程022)(rsxdxVdn其中其中n设半导体表面层仍可以使用经典分布，设半导体表面层仍可以使用经典分布，则在电势为则在电势为V V的的x x点（半导体内部电势为点（半导体内部电势为0 0），电子和空穴的浓度分别为），电子和空穴的浓度分别为)()(ppADnppnqx 00exp()ppqV xnnk T 00exp()ppqV xppk Tn在半导体内部，电中性条件

7、成立，故在半导体内部，电中性条件成立，故即即n带入可得带入可得0)(x00ppADpnpn1)exp( 1)exp(0000022TkqVnTkqVpqdxVdpprsn上式两边乘以上式两边乘以dVdV并积分，得到并积分，得到n将上式两边积分，并根据将上式两边积分，并根据dVTkqVnTkqVpqdxdVddxdVVpprsdxdV00000001)exp( 1)exp()(dxdVE |n得得n令令 1)exp( 1)exp(2)2(0000000002202TkqVTkqVpnTkqVTkqVTkpqqTkEpprsp210002)2(TkpqLrspD210000000001)exp(

8、1)exp(),(TkqVTkqVpnTkqVTkqVpnTkqVFppppn分别称为德拜长度分别称为德拜长度 ，F F函数函数。 则则n式中当V大于0时，取“+”号；小于0时，取“-”号。),(20000ppDpnTkqVFqLTkEn在表面处在表面处V=VV=Vs s，半导体表面处电场强度，半导体表面处电场强度n根据高斯定理，表面电荷面密度根据高斯定理，表面电荷面密度Q Qs s与表与表面处的电场强度有如下关系面处的电场强度有如下关系),(20000ppsDspnTkqVFqLTkE，srssEQ0n带入可得带入可得n当金属电极为正，即当金属电极为正，即V Vs s00，Q Qs s用负号

9、；反用负号；反之之Q Qs s用正号。用正号。),(200000ppsDrsspnTkqVFqLTkQn在单位表面积的表面层中空穴的改变量在单位表面积的表面层中空穴的改变量为为n因为因为00000 1)exp()(dxTkqVpdxpppppp| EdVdxn考虑到考虑到x=0 x=0，V=VV=Vs s和和x=x=，V=0V=0，则得，则得 n同理可得同理可得0000000),(1)exp(2sVppDPdVpnTkqVFTkqVTkLqpp0000000),(1)exp(2sVppDPdVpnTkqVFTkqVTkLqpnn微分电容微分电容n单位单位F/mF/m2 2。),(1)exp(

10、1)exp(00000000ppsppsDrsssspnTkqVFTkqVpnTkqVLVQC8.2.3 8.2.3 各种表面层状态各种表面层状态n（1 1）多数载流子堆积状态（积累层）多数载流子堆积状态（积累层）cEiEfsEvEfME（1）积累层（）积累层（VG0） （Vs0）V VG G000时，表面处空穴被排斥时，表面处空穴被排斥走，当空穴势垒足够高时，走，当空穴势垒足够高时，表面层价带空穴极为稀少，表面层价带空穴极为稀少，可认为该层多子空穴被耗可认为该层多子空穴被耗尽，称为耗尽层。尽，称为耗尽层。表面微分电容为表面微分电容为采用耗尽近似采用耗尽近似202AdsrsqN xV 1/20

11、2ArsssN qCV 8.2.3 8.2.3 各种表面层状态各种表面层状态n（4 4）少数载流子反型状态（反型层，）少数载流子反型状态（反型层， VG0 ）开始出现反型层的条件：开始出现反型层的条件：cE0iEfEvEseV00() ( )1iisiFfEEq V xVEEq 所以，FiEE 表面势费米势时表面势费米势时反型层的条件：反型层的条件：fsV 8.2.3 8.2.3 各种表面层状态各种表面层状态强反型层出现的条件：型衬底表面处的电子密度等于体内强反型层出现的条件：型衬底表面处的电子密度等于体内的空穴浓度时。的空穴浓度时。cE0iEfEvEfEisEsfiiisfisnpkTEEn

12、pkTEEnn000expexp00002122fisiffiisfisissiisfsfEEEEqEEqEEqVVEEVq 由，所以，即：强反型层条件强反型层条件：022lnAsfik TNVqn 8.2.3 8.2.3 各种表面层状态各种表面层状态金属与半导体间加负压，多子堆积金属与半导体间加负压，多子堆积金属与半导体间加不太高的正压，多子耗尽金属与半导体间加不太高的正压，多子耗尽金属与半导体间加高正压，少子反型金属与半导体间加高正压，少子反型p p型半导体型半导体8.2.3 8.2.3 各种表面层状态各种表面层状态n n 型半导体型半导体金属与半导体间加正压，多子堆积金属与半导体间加正压

13、，多子堆积金属与半导体间加不太高的负压，多子耗尽金属与半导体间加不太高的负压，多子耗尽金属与半导体间加高负压，少子反型金属与半导体间加高负压，少子反型8.3 MIS8.3 MIS结构的电容结构的电容- -电压特性电压特性nMISMIS结构的微分电容结构的微分电容n理想理想MISMIS结构的低频结构的低频C-VC-V特性特性n理想理想MISMIS结构的高频结构的高频C-VC-V特性特性n实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性8.3.1 8.3.1 MISMIS结构的微分电容结构的微分电容n栅压栅压V VG G= V= VO O+ V+ VS S n当不考虑表面态电荷当不考虑表面态电

14、荷, ,半导体的总电荷半导体的总电荷 面密度面密度 Q QS S = = - Q- QG G nMISMIS结构的微分电容结构的微分电容C C d dQ QG G/dV/dVG G 1GOSGGGdVdVdVCdQdQdQn定义定义u 氧化层电容氧化层电容u 空间电荷区电容空间电荷区电容则有则有0GroOOodQCdVd SSSdQCdV 111OSCCC11OOSCCCC8.3.2 8.3.2 理想理想MISMIS结构的低频结构的低频C-VC-V特性特性n理想理想MISMIS结构结构: :金属的功函数与半导体相同（金属的功函数与半导体相同（Vms=0Vms=0）氧化层中没有电荷存在（氧化层中

15、没有电荷存在（Qo=0Qo=0）半导体氧化物没有界面态（半导体氧化物没有界面态（Qss=0Qss=0）GVi MSIMIS结构的微分电容公式结构的微分电容公式:1 1OOSCCCC V VG G0 V0 VS S0 0, 00, 0VS S 2V V VT T, V, VS S 2V 2VB Bu表面强反型表面强反型, , C CS S很大很大, (C/Co)1, (C/Co)1n阈值电压阈值电压( (开启电压开启电压)半导体表面刚达到强反半导体表面刚达到强反型时所加的栅压型时所加的栅压 n归一化电容归一化电容2mTOSBOXQVVVVC mAmQqN d 1/2000011expOproDs

16、rspCCnLqVdpk T8.3.38.3.3理想理想MISMIS结构的高频结构的高频C-VC-V特性特性 表面积累表面积累, ,表面耗尽表面耗尽, ,高低频特性一样高低频特性一样 V VG G V VT T， V VS S 2V 2VB B, , 表面强反型表面强反型 高频时高频时, ,反型层中电子的增减跟不上频率反型层中电子的增减跟不上频率的变化的变化, ,空间电荷区电容呈现的是耗尽层电空间电荷区电容呈现的是耗尽层电容最小值容最小值 0rsdMMCd MISMIS结构的电容也呈现最小值结构的电容也呈现最小值 不再随偏压不再随偏压V VG G呈现显著变化呈现显著变化min1111OroMO

17、dMrsOXCCdCCd深耗尽状态深耗尽状态n当偏压当偏压V VG G的变化十分迅速的变化十分迅速, , 且其正向幅且其正向幅度大于度大于V VT T, ,则则: : 即使表面势即使表面势V VS S2V2VB B , ,反型层也来不及建反型层也来不及建立立, , 耗尽层宽度随偏压幅度的增大而增耗尽层宽度随偏压幅度的增大而增大大-深耗尽状态深耗尽状态n当表面处于深耗尽当表面处于深耗尽-随随V VG G增加增加, d, d增加增加(d(dM M), MOS), MOS结构的电容不再呈现为最小结构的电容不再呈现为最小值值. .11roOrsOCdCd8.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构

18、的结构的C-VC-V特性特性(1)1) 功函数差异的影响功函数差异的影响n平带电压平带电压 为了恢复半导体表面平带状态需要为了恢复半导体表面平带状态需要加的电压加的电压. .n 考虑功函数差异的影响考虑功函数差异的影响: : V VFBFB= - V= - Vmsms(2)(2)绝缘层中电荷的影响绝缘层中电荷的影响当绝缘层处有一薄层电荷当绝缘层处有一薄层电荷, ,其面电荷密度为其面电荷密度为( )Qxx0FBrsOOXxQQxVCd n当绝缘层中有分布电荷当绝缘层中有分布电荷 则有则有: : 其中其中, ,氧化层中总有效电荷面密度氧化层中总有效电荷面密度OXFBOXQVC OX0( )QOXd

19、OXxxdxd C-V C-V特性的应用特性的应用n求氧化层厚度求氧化层厚度d dOXOX: C: COXOX d dOXOXn求半导体掺杂浓度求半导体掺杂浓度N NA A(N(ND D): ): C Cminmin + d + dOXOX N NA A(N(ND D) ) 计算计算, ,或图或图8-128-12n求氧化层中总有效电荷面密度求氧化层中总有效电荷面密度Q QOXOX: : d dOXOX + N + NA A C CFBFB V VFBFB Q QOXOX8.4 Si-SiO8.4 Si-SiO2 2系统的性质系统的性质n1. 1. 二氧化硅中的可动离子二氧化硅中的可动离子n2.

20、 2. 二氧化硅中的固定表面电荷二氧化硅中的固定表面电荷n3. 3. 在硅在硅二氧化硅界面处的快界面态二氧化硅界面处的快界面态n4.4.二氧化硅中的陷阱电荷二氧化硅中的陷阱电荷8.4.1 8.4.1 二氧化硅中的可动离子二氧化硅中的可动离子n二氧化硅中的可动离子有二氧化硅中的可动离子有NaNa、K K、H H等，等，其中最主要而对器件稳定性影响最大的其中最主要而对器件稳定性影响最大的是是NaNa离子。离子。n来源来源：使用的试剂、玻璃器皿、高温器使用的试剂、玻璃器皿、高温器材以及人体沾污等材以及人体沾污等 n为什么为什么SiOSiO2 2层中容易玷污这些正离子而层中容易玷污这些正离子而且易于在

21、其中迁移呢？且易于在其中迁移呢？n二氧化硅结构的基本单元是一个由硅氧二氧化硅结构的基本单元是一个由硅氧原子组成的四面体，原子组成的四面体，NaNa离子存在于四面离子存在于四面体之间，使二氧化硅呈现多孔性，从而体之间，使二氧化硅呈现多孔性，从而导致导致NaNa离子易于在二氧化硅中迁移或扩离子易于在二氧化硅中迁移或扩散。散。 n由于由于NaNa的扩散系数远远大于其它杂质。的扩散系数远远大于其它杂质。根据爱因斯坦关系，扩散系数跟迁移率根据爱因斯坦关系，扩散系数跟迁移率成正比，故成正比，故NaNa离子在二氧化硅中的迁移离子在二氧化硅中的迁移率也特别大。率也特别大。 n温度达到温度达到100100摄氏度

22、以上时，摄氏度以上时，NaNa离子在电场作离子在电场作用下以较大的迁移率发生迁移运动。用下以较大的迁移率发生迁移运动。n作偏压作偏压温度实验，可以测量二氧化温度实验，可以测量二氧化硅中单位面积上的硅中单位面积上的NaNa离子电荷量：离子电荷量：单位面积钠离子电荷数：单位面积钠离子电荷数：NaoFBQCVNaNaQNqn可动钠离子对器件的稳定性影响最大可动钠离子对器件的稳定性影响最大 （1 1）漏电增加，击穿性能变坏）漏电增加，击穿性能变坏 （2 2）平带电压增加）平带电压增加n如何解决钠离子玷污的问题如何解决钠离子玷污的问题 （1 1）把好清洁关）把好清洁关 （2 2）磷蒸汽处理）磷蒸汽处理8

23、.4.2 8.4.2 二氧化硅中的固定表面二氧化硅中的固定表面电荷电荷二氧化硅层中固定电荷有如下特征二氧化硅层中固定电荷有如下特征 n电荷面密度是固定的电荷面密度是固定的n这些电荷位于这些电荷位于Si-SiOSi-SiO2 2界面界面200200范围以内范围以内n固定表面电荷面密度的数值不明显地受固定表面电荷面密度的数值不明显地受氧化层厚度或硅中杂质类型以及浓度的氧化层厚度或硅中杂质类型以及浓度的影响影响 n固定电荷面密度与氧化和退火条件，以固定电荷面密度与氧化和退火条件，以及硅晶体的取向有很显著的关系及硅晶体的取向有很显著的关系 过剩硅离子是固定正电荷的来源过剩硅离子是固定正电荷的来源n这些

24、电荷出现在这些电荷出现在Si-SiOSi-SiO2 2界面界面200200范围以内，这个区范围以内，这个区域是域是SiOSiO2 2与硅结合的地方，极易出现与硅结合的地方，极易出现SiOSiO2 2层中的缺陷及层中的缺陷及氧化不充分而缺氧，产生过剩的硅离子氧化不充分而缺氧，产生过剩的硅离子n实验证明，若在硅晶体取向分别为实验证明，若在硅晶体取向分别为111111、110110和和100100三个方向生长三个方向生长SiOSiO2 2时，他们的硅时，他们的硅二氧化硅结构中二氧化硅结构中的固定表面电荷密度之比约为的固定表面电荷密度之比约为3:2:13:2:1。 n将氧离子注入将氧离子注入Si-Si

25、O2Si-SiO2系统界面处，在系统界面处，在450450度进行处度进行处理，发现固定表面电荷密度有所下降理，发现固定表面电荷密度有所下降n将将MOSMOS结构加上负栅偏压进行热处理实验发现，当温度结构加上负栅偏压进行热处理实验发现，当温度高出钠离子漂移温度（高出钠离子漂移温度（127127度）时，这些固定的表面电荷密度）时，这些固定的表面电荷密度有所增加。度有所增加。 平带电压平带电压 0fcFBQVC 单位表面积的固定单位表面积的固定正电荷数目正电荷数目 fcfcQNq8.4.38.4.3在在Si-SiOSi-SiO2 2界面处的快界面态界面处的快界面态nSi-SiOSi-SiO2 2系统

26、中位于两者界面处的界面态就是来系统中位于两者界面处的界面态就是来自于悬挂键，即所谓塔姆能级。自于悬挂键，即所谓塔姆能级。n硅表面的晶格缺陷和损伤，将增加悬挂键的密硅表面的晶格缺陷和损伤，将增加悬挂键的密度，同样引入界面态。度，同样引入界面态。n在硅表面处存在杂质等也可以引入界面态，这在硅表面处存在杂质等也可以引入界面态，这些界面态位于些界面态位于Si-SiOSi-SiO2 2界面处，所以可以迅速地界面处，所以可以迅速地和和SiSi半导体内导带或价带交换电荷，故此称为半导体内导带或价带交换电荷，故此称为“快态快态”。 n界面态能级被电子占据时呈现电中性，界面态能级被电子占据时呈现电中性，而施放了电子之后呈现正电性，称为施而施放了电子之后呈现正电性，称为施主型界面态主型界面态 n若能级空着时为电中性而被电子占据时若能级空着时为电中性而被电子占据时