半导体的表面以及界面及接触现象

1、半导体的表面以及界面及接触现象 半导体表面半 半接触金 半接触7.1 半导体的表面 一、理想表面和实际表面 理想表面： 表面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。指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。真实表面：表面吸附杂质, 或表面原子生成氧化物或其它化合物 清洁表面：在表面没有吸附杂质，也没有被氧化的实际表面。实际表面又分为： 二、表面态 达姆表面能级: 晶体自由表面的存在使其周期场在表面处发生中断, 在禁带中引起的附加能级. 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硅表面悬挂键由于悬挂

2、键的存在，表面可与体内交换电子和空穴。例如:对硅(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。理想表面实际上不存在共价半导体的表面再构现象: 近表面几个原子厚度的表面层中, 离子实所受的势场作用不同于晶体内部, 使得晶体的三维平移对称性在表面层中受到破坏,表面上形成新的原子排列结构, 这种排列具有沿表面的二维平移对称性.清洁表面的电子态，称为本征(达姆)表面态。 真实表面由于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。 外诱表面态的特点是，其数值与表面经过的处理方法有关;达姆表面态对给定的晶体在“洁净”表面时为一定值

3、。表面态分为施主型表面态和受主型表面态。 施主型表面态:不论能级在禁带中的位置如何, 能级被电子占据时呈电中性, 施放电子后带正电. 这样的表面态叫受主型表面态:不论能级在禁带中的位置如何, 能级空着时呈电中性, 接受电子后带负电, 这样的表面态叫7.2 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 EFEcEvEF(EF)s+E2功函数的差异金属中的电子绝大多数所处的能级都低于体外能级。金属功函数的定义上式表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中

4、所需要的最小值。EFE0 真空中静止电子的能量EoEcEv(EF)sWsWm金(M)半(S)WSWM，即(EF)S(EF)M +E形成由金半的电场。(EF)m金属半导体接触 如果WS(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S+IME例如:Si-SiO2系统中,SiO2层中有过剩硅离子4外加偏压 二、表面电场效应1空间电荷区和表面势 讨论在外加电场作用下半导体表面层内发生的现象。d金属绝缘体半导体欧姆接触MIS结构理想的MIS结构:金属与半导体间功函数差为零绝缘层中无电荷且绝缘层完全不导电绝缘层与半导体界面处不存在任何界面态MIS结构是一电容在金属与半导体间加电

5、压后, 金属和半导体 相对的两个面上被充电, 符号相反金属中, 电荷分布在一个原子层范围内; 半导体中, 电荷分布在一定厚度的表面层内- 空间电荷区+ + + + +MISVG空间电荷区表面与体内的电势差为表面势，用VS表示。 规定： 表面电势比内部高时，VS0，反之，表面电势比内部低时，VS0； 外加反向偏压时，VG0，电场由体内指向表面，VS0，VS0时，取负号，空间电荷区的能带从体内到表面向下弯曲 VG0，VS0，能带向下弯 V(x)0空穴的势垒 空间电荷区 ：0 xEFV(x)0，能带向上弯 V(x)0电子的势垒 空间电荷区 ：0 xX=0 V(x)=Vs表面上3P型半导体表面空间电荷

6、层的四种基本状态 (1) VG0，金属接+，半导体接负 EcEvEFEiqVsqVBVB是体内势 ：多子耗尽 ps0 反型层界面EcEiEFEvqVsxqVqVBEg半导体绝缘体表面空间电荷区内能带的弯曲P电子称这个状态为反型状态 电子电离受主空间电荷反型少子堆积弱反型：psns(po)p 特征： 1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；2）表面区的少子数多子数表面反型；3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。表面反型条件出现强反型的临界条件，ns=(po)p强反型出现VG0 VS0, VG0多子堆积, 平带, 多子耗尽, 反型少子堆积VG变化VS变化能带弯曲电荷分布变化 4N型半导体

7、表面空间电荷层的四种基本状态 1) VG0 ,VS0能带下弯，ns (n0)n多子的堆积 EF2) VG=0，VS=0 平带3) VG0，VS0 能带上弯，ns (n0)n为电子势垒 + + + 电离施主4) VG0 + + 空穴 表面处形成了p型材料，即反型层 多子耗尽EFEi弱反型：nsps(no)nEF7.3 MIS结构的C-V特性 一、理想的MIS结构的C-V特性 1总电容C VG=V0+VS 在MIS结构上加电压VG后，电压VG的一部分Vo降在绝缘层上，而另一部分降在半导体表面层中，形成表面势Vs，即因是理想MIS结构，绝缘层内没有任何电荷，绝缘层中电场是均匀的，以 表示其电场强度，

8、显然d0 绝缘层厚度由高斯定理QM金属表面的面电荷密度, 0r 绝缘层的相对介电常数Qs半导体表面的面电荷密度Co 绝缘层电容MIS结构电容Cs为半导体空间电荷区电容MIS结构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结构的等效电路称为归一化电容 2表面空间电荷区的电场和电容表面空间电荷区的电场：F函数空间电荷层中电势满足的泊松方程rs半导体的相对介电常数, (x)空间电荷密度V0, 取正; V0，QS为负号 金属为负时，VG0，QS为正号空间电荷层单位面积上的电容, 单位F/m2以p型半导体为例, 定量地分析各种表面层的状态空间电荷层的电容(1) VG0，金属接负，半导体接正 多

9、数载流子堆积状态 随 而0 CC0(AB)随|VG|积累的空穴越来越少，CS，C/C0 (BC)ABCDEFC0CFBCminCminVmin1低频C02高频GH00+VMIS结构的电容-电容曲线C/C0又（no)p0，金属接+，半导体接负 VS0，表面能带下弯，是空穴的势垒 空穴耗尽状态电离饱和时 (p0)p=NAVG, C/C0(CD) 假设空间电荷区的空穴都已全部耗尽，电荷全由已电离的受主杂质构成。半导体的掺杂是均匀的，则空间电荷区的电荷密度，(x)=-qNA设xd为耗尽层的厚度 耗尽层近似(4) VG0 反型状态低频时, 少子的产生与复合跟得上小信号的变化 VS，少子积累越多，ns，C

10、s，C0/CS，C/C0 (DE) 当VS到使C0/CS很小时，C/C0的分母中的第二项又可以忽略。C/C01。(EF) 高频时，反型层中的电子对电容没有贡献,空间电荷区的电容由耗尽层的电荷变化决定因强反型出现时耗尽层宽度达到最大值 xdmax, 不随VG变化, 耗尽层贡献的电容将达极小值并保持不变.(GH)（1）半导体材料及绝缘层材料一定 时，C-V特性将随do及NA而 变化； （2）C-V特性与频率有关N型半导体组成的MIS结构具有相似的规律。 结 论二、实际的MIS结构的C-V特性 1金属和半导体功函数的影响 (EF)M(EF)SMS(EF)M(EF)s+EWMWs，形成的Vs0，这时C

11、-V曲线是向右发生了移动。2绝缘层中离子的影响 可动离子：Na+，K+或H+固定离子：通常位于SiSiO2界面附近的200范围内 +MIS-E外CV曲线向左平移能带下弯3表面态的影响 (1) 受主表面态 在N型半导体中 EcEvEF+EVS0，能带上弯 -电离受主表面态+电离施主空穴使N型表面反型接受电子, 带负电在P型表面 -Vs0，能带上弯 电离受主表面态多子空穴 受主表面态存在P型半导体表面后，使半导体表面积累更多空穴，成了强p型材料。 只要表面有受主态存在，都要形成由体内向外的电场，使VS0，能带下弯，在表面形成了强N型。 正电荷：电离的施主表面态 负电荷：多子积累 EP型材料 Vs0，能带下弯 正电荷：电离施主表面态 负电荷： 反型层中少子电子 耗尽层中电离的受主 表面出现了反型层 只要有施主表面态，总要形成指向内部的电场，在没加电场时，在表面就有电场VS0，能带下弯，C-V特性左移为使恢复平带状态，必须加一反向电压.