半导体物理学-Chapter8

第八章半导体表面与MIS结构8.1表面态概念8.2表面电场效应8.3Si-SiO2系统的性质8.4MIS结构的C-V特性8.5表面电导及迁移率第七章8.1表面态概念8.1.1表面的特殊性1.表面处晶体的周期场中断；2.表面往往易受到损伤、氧化和沾污，从而影响器件的稳定性；3.表面往往需要特殊保护措施，如钝化等4.表面是器件制备的基础，如MOSFET等第七章8.1.2理想表面理想一维晶体的表面态：薛定谔方程E<V0第一组解：等同于一维无限周期场的解第二组解：对应于表面态表面能级在表面（x=0）两边，波函数指数衰减，说明电子分布几率主要集中在x=0处，即电子被局限在表面附近。每个表面原子对应禁带中一个表面能级，这些能级组成表面能带。第七章理想一维晶体的表面态：化学键理论例子：硅晶体－表面处每个硅原子将有一个未配对电子－－悬挂键，对应的电子能态就是表面态－硅晶体表面原子密度～1015cm-2，悬挂键密度也应～

1015cm-2第七章8.1.3真实表面1.清洁表面在超高真空(UHV)(～10-9

Torr)环境中解理晶体，可以在短时间内获得清洁表面，但与理想表面不同：解理后的表面易形成再构2.真实表面自然氧化层（~nm）－大部分悬挂键被饱和，使表面态密度降低表面态密1010~1012cm-2施主型：俘获电子后呈现电中性，空态时呈现出正电荷态受主型：俘获电子后呈现负电荷态，空态时呈现出电中性3.界面掺杂不同－Si

pn(同质结)不同半导体－异质结金半接触－肖特基接触晶粒间界－多晶结构金属－氧化物－半导体－MOSFET第七章8.2表面电场效应8.2.1空间电荷层半导体表面层产生电场起因外加偏压功函数差电荷(固定电荷,界面态等)MIS结构实际上就是个电容Qm=−Qs空间电荷层(spacecharge)氧化层外的金属一侧电荷金属metal半导体内的空间电荷半导体中自由载流子密度低得多，对应Qs的电荷量需要分布在一定厚度的表面层内，这个带电的表面层叫做空间电荷层。第七章表面势Vs－空间电荷层两端的电势差，表面比内部高为正助记例子：电力线从正电荷出发终止于负电荷，电势沿电力线方向减小Qm>0第七章假设8.2.2空间电荷层中的泊松方程1半导体表面是个无限大的面，其线度>>空间电荷层厚度→一维近似，（ρ,E,V）不依赖y,z2半导体厚度>>空间电荷层厚度→半导体体内电中性3半导体均匀掺杂4非简并统计适用于空间电荷层5不考虑量子效应第七章例子：一维p型半导体泊松方程玻尔兹曼统计已知x→+∞时第七章两边乘以dV从空间电荷层内边界积分到表面第七章“＋”:V>0“－”:V<0德拜长度(p型半导体)表面势为正，能带下弯，电场指向半导体内部为正方向F函数，无量纲数第七章8.2.3半导体表面电场、电势和电容x=0V(0)=Vs电场指向半导体内部为正方向面电荷密度第七章8.2.4半导体表面层的五种基本状态1多子堆积（积累）状态积累Vs<0平带Vs=0Vs<0Vs=02平带状态第七章3耗尽状态

VB>Vs>0另一种求解面电荷密度的途径－“耗尽层近似”积累Vs<0平带Vs=0耗尽Vs∈(0,VB)第七章4反型状态耗尽状态VB<Vs<2VBVs↑d↑Qs对表面势依赖：从Vs1/2到exp(qVs/2kT)“耗尽层近似”依然适用强反型－表面处少子浓度开始超过体内多子浓度Vs≥2VB

Vs↑d=dmaxQs∝exp(qVs/2kT)外加电场被反型层中积累的电子所屏蔽，耗尽层宽度达到最大。第七章5深耗尽状态Vs>2VBVs↑d>dmax

非平衡状态，空间电荷层的载流子跟不上外加电压变化从深耗尽到热平衡反型层态所需的热驰豫时间τth为100～102s！反型层的建立不是一个很快的过程！“耗尽层近似”依然适用第七章第七章8.3Si-SiO2系统的性质8.3.1Si-SiO2系统中的电荷状态1.界面陷阱电荷（快界面态）Qit2.氧化层中固定电荷Qf3.氧化层中可动电荷Qm4.氧化层中陷阱电荷Qot1.界面陷阱电荷（快界面态）Qit界面态密度Dit(1)Dit1010~1012cm-2eV-1(2)Dit在禁带中呈现“U”形连续分布(3)Qit与晶向关系：[111]>[110]>[100](4)Q依赖退火处理第七章2.氧化层中固定电荷Qf(1)在外加电场下，不可移动(2)局限于界面20nm范围以内(3)[111]>[110]>[100](4)不依赖于Vs,不和体Si交换电荷，即不能充放电(5)不依赖于Si掺杂和氧化层厚度(6)Si-SiO2界面附近的过剩Si4+导致Qf(7)与热处理有关3.氧化层中可动电荷Qm(Na+,K+)B-T实验4.氧化层中陷阱电荷Qot辐射；热载流子注入等第七章8.4MIS结构的C-V特性8.4.1MIS电容结构的能带图1.无外加电压2.有外加电压表面势Ws－Wm接触电势差体现外加场影响第七章8.4.2理想MIS电容的C－V特性氧化层完全绝缘氧化层中不存在任何电荷在氧化层与半导体界面上无界面态忽略金属与半导体的接触电势差εr(SiO2)=3.9εr(Si)=11.9随VG变化第七章低频情况(10~100Hz)1VG<0,积累>>Cox2VG=0,平带第七章3VG>0,耗尽,VG↑d↑Cs↓C↓平行板电容器等效4VG>0,弱反型,VG↑d↑Qs：从Vs1/2→exp(qVs/2kT)从Vs-1/2→exp(qVs/2kT)C~↓→↑5VG>0,强反型,Qs∝exp(qVs/2kT)Cs>>CoxC≈CoxVs=V2

BVG=VT阈值电压(开启电压)第七章高频情况(104~106Hz)－反型层中电子的产生与复合跟不上高频信号的变化，即反型层中电子的数量不能随高频信号而变。此时，反型层中的电子对电容没有贡献。－QS的变化只能靠耗尽层的电荷变化实现，强反型时耗尽层已达最大厚度。第七章深耗尽情况(快速C－V扫描)从深耗尽到热平衡反型层态所需的热驰豫时间τth为100～102s！反型层的建立不是一个很快的过程！快速直流偏压扫描导致反型层不能建立，“耗尽层近似”依然适用，d>dmaxCs∝Vs-1/2→C↓第七章10.4.3实际MIS电容的C－V特性1.金半接触电势差的影响C-V曲线会平移，但形状不变Al栅电极&p-Si

Vms>0例子：C-V曲线整体向电压轴负方向平移通过与理想C-V对比,得到VFB→Vms

→Wm第七章2.绝缘层中电荷的影响Qf[C/cm2]Qm,Qot⇒ρ(x)[C/cm3]B-T实验V=10→-10VT=150~250

oC30min外电场和温度场下Na+可动正电压下Na+迁移至氧化层靠近半导体一侧，导致较大负VFB，再施加负电压，Na+部分迁至氧化层靠近金属一侧，部分恢复VFB第七章10.5表面电导及迁移率10.5.1表面电导单位面积的表面层中载流子改变量垂直于表面方向的电场对表面电导起控制作用