第七章-半导体表面与MIS结构

第七章半导体表面与MIS结构SemiconductorsurfaceandMISstructureSemiconductorPhysics主要内容及要求（10课时）：*了解表面态的概念和来源；*理解并掌握热平衡下理想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；*理解并掌握理想的MIS结构的电容和电压特性，并了解金属和半导体的功函数差、绝缘层的电荷对MIS结构的电容－－电压特性的影响；*了解Si－－SiO2系统的性质；*定性掌握表面电导和迁移率。§7·1表面态Byincreasingminiaturizationinsemiconductor-devicetechnology,theinterfaceitselfisthedevice!Kroemer,the2000Nobelwinnerofphysics1928年出生于德国.1952年获得德国哥廷根大学理论物理学博士学位.他的博士论文的题目是在晶体管中热电子的效应,这成为他从事半导体物理和半导体设备研究职业生涯的开端.现为加州圣巴巴拉加州大学的物理学教授。aXV(x)V0E0一维晶体的势能函数2202022200(0)2()(0)2()(),dVExmdxdVxExmdxVxaVxEV其中，求解薛定谔方程：121200(0)(0)()()xxdddxdx在x=0处满足的连续性条件固体表面态的量子力学解释：x≤0区的电子波函数为：12001[2()]()expmVExAxx≥0区的电子波函数为：'2221()()expexpikxikxkxAux在x=0的两边，波函数是按指数关系衰减，这表明电子的分布概率主要集中在x=0处，电子被局域在表面附近。WHAT?达姆在1932年用量子力学严格证明，晶体的自由表面的存在，使得周期性势场在表面处发生中断，引起附加能级，电子被局域在表面附近，这种电子状态称为表面态，所对应的能级为表面能级。每个表面原子对应一个能级，组成表面能带从化学键方面分析，在晶体最外层的原子存在未配对的电子，即未饱和的键－－悬挂键，与之对应的电子能态就是表面态。1、未饱和的键－－悬挂键danglingband“理想表面”就是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。但在实际中，理想表面是不存在的，即使在绝对清洁的半导体表面，由于表面对称性破坏，原子所受的势场作用完全不同于体内，实验中观测到原子发生再构现象，以达到能量的最小化。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。硅表面7×7重构的原子照片由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴。如n型硅的清洁表面带负电。如下图所示：SiSiSiSiSiSi硅表面悬挂键示意图表面悬挂键1015cm-2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，靠近价带；另一组为受主能级，靠近导带。除了上述表面态外，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。2、表面缺陷和吸附原子目前，对硅表面态的研究比较多，表面态在禁带的分布有一定的了解，但对具体的工艺重复性比较差，最急待研究的是Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体的表面态情况，对微电子的发展具有重要意义。这种表面态的特点是，其表面态的大小与表面经过的处理方法有关；而达姆表面态对给定的晶体在“洁净”表面时为一定值大约为1015cm-2(每个表面原子对应禁带中的一个能级)，实际上由于表面被其它原子覆盖，表面态比该值小得多，为1010～1015cm-2。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。3、表面态的影响§7·2表面电场效应在外加电场作用下，在半导体的表面层内发生的物理现象，主要载流子的输运性质的改变。可以采用不同方法，使得半导体表面层内产生电场，如：功函数不同的金属和半导体接触（金/半接触）、使半导体表面吸附某种带电的离子等一般采用金属/绝缘体/半导体(MIS)结构研究表面电场效应1、表面电场效应：2、理想MIS结构：（1）Wm=Ws；（2）绝缘层内无可移动电荷且绝缘层不导电；（3）绝缘层与半导体界面处不存在界面态。MIS结构等效电路表面电场导致电容如何产生?由于MIS结构是一个电容，当在金属与半导体之间加电压后，在金属与半导体相对的两个面上就要被充放电。但和一般意义的电容不一样！在金属中，自由电子密度很高，电荷基本上分布在很薄的一个原子层的厚度范围之内；而在半导体中，由于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spacechargeregion。一、空间电荷层及表面势金属的传导电子的浓度很高，1022～1023cm-3半导体载流子的浓度比较低，1010～1019cm-3首先，在空间电荷区内，从半导体的表面到体内，电场逐渐减弱，到空间电荷区的另一端，电场强度减小到零。其次，空间电荷区的电势也要随距离逐渐变化化，半导体表面相对体内就产生电势差。空间电荷区对电场、电势与能带的影响：最后，电势的变化，使得电子在空间电荷区的能量改变，从而导致能带的弯曲。表面空间电荷区内能带的弯曲界面EcEiEFEvxEg半导体绝缘体BqVsqVqVVg＞0时:p-typeorn-typeSi表面势surfacepotential及空间区内电荷spacecharge的分布情况,随金属与半导体间所加的电压VG(gatevoltage)而变化，主要可归纳为堆积accumulation、耗尽depletion和反型inversion三种情况:称空间电荷层两端的电势差为表面势，以表示之。规定表面势比内部高时，取正值，反之取负值。SVSV（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在VG＝0时，理想半导体的能带不发生弯曲，即平带状态flat-bandcondition，有时也称为一种状态。例如，对于p型半导体，有三种情况：VG=0时,理想MIS结构的能带图一般情况讨论,以p型半导体为例：EviEciEiEvEcEFsEFm在金属和P型半导体间加上电压，则将会在半导体的表面层中产生空间电荷区，dx0+VGp型半导体表面感生一个荷负电的空间电荷层如果VG0:qVsEcEvEF表面电势表面势为正，表面处能带向下弯曲，越接近表面。费米能离价带越远，空穴浓度越小。空间电荷层内的电场是由半导体的表面指向体内的，电子的静电势能逐步升高，能带向下发生弯曲表面势及空间电荷区内电荷的分布情况，随金属与半导体间所加的电压VG变化，可分为：•VG＜0时，多子积累状态；•VG＝0时，平带状态；•VG＞0时，多子耗尽状态；•VG0时，少子反型状态；下面分别加以说明（对P型半导体）：考虑热平衡下的情况，此时半导体体内的费米能级保持定值当外加电压变化时，如前面所述：（1）VG0多子空穴的积累在热平衡时，半导体内的费米能级保持定值EFmEFsEcEvEiQsQmxVG0电荷分布能带图电荷分布图（a）能带向上弯曲，EV接近甚至高过费米能级EFs；（b）多子（空穴）在半导体表面积累，越接近半导体表面多子浓度越高。堆积的空穴分布在最靠近表面的薄层内。EFmEFsEcEvEiQsQmxVG0电荷分布特征：半导体表面能带平直。表面势为零，表面处能带不产生弯曲，即所谓平带状态。(2)VG=0平带状态VG=0EFmEFsEcEvEi①表面能带向下弯曲；②表面上的多子浓度比体内少得多，基本上耗尽，表面层负电荷基本等于电离受主杂质浓度。表面势为正，能带下弯，价带顶位置比费米能级mQEFmEFsEcEvEiVG＞0QmQsx电荷分布（3）VG＞0耗尽状态低得多。能带进一步下弯1）在表面处EF可能高于中间能级Ei，EF离Ec更近；sQ2）表面区的少子电子数多子空穴数—表面反型出现；3）反型层发生在表面处，和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。FsEmFEiEcEvExmQ0VG电离受主反型层中电子（4）反型状态0GV二、表面空间电荷层的电场、电势和电容为了深入地分析表面空间电荷层的性质，可以通过解泊松方程，定量地求出表面层中电场强度E和电势V的分布，分析电容的变化规律。取x轴垂直于表面指向半导体内部，规定表面处为x轴的原点。鉴于表面线度远比空间电荷层厚度要大。把表面近似看成无限大的面，故可以看成一维情况处理。xsemimetalisolatorSpacecharge2201rsVxxdVdx半导体的空间电荷层中的电势满足泊松方程：0V取半导体体内电势*考虑在表面层中载流子满足经典统计；*表面空间电荷层中的电离杂质浓度为一个常数，和体内相等。（1）表面电场Es分布EvEFEcEi2DAppxqnppn而在半导体体内某处的总的空间电荷密度为：在半导体体内，电中性条件成立，同时空间电荷区中的电离杂质浓度为一个常数与体内相等，有：()0x003DAppnpnp即：00ppppxqnppn?4000000TkxqVppTkxqVpTkExqVEcpepxpeneNxnFc在空间电荷层中5110000TkxqVpTkxqVpenepqx则其中np0和pp0为体内平衡时的电子和空穴浓度00ppppxqnppn611150000022TkxqVpTkxqVprsenepqdxVd代入到方程711220000000220200TkxqVepnTkxqVeTkpqqTkETkxqVppTkxqVrsp并积分式两边同乘以在dV6/EdVdx并且太复杂！00202rsDpkTLqp德拜长度00000000011ppqVxqVxpkTkTpnqVxFkTpnqVxqVxeekTpkTF函数德拜在研究电介质表面极化时提出的正离子电场可能影响到电子的最远距离。这里作为一个特征长度。0;0VV当时，电场方向指向半导体体内，E取号当时,电场方向从半导体体内指向表面，E取号F函数是表征半导体空间电荷层性质的一个重要参数。通过F函数的引入，可以表达空间电荷层的其他基本参数。000028pDpnqVxkTEFqLkTp所以：（2）表面电荷密度Qs分布EQsrs0根据高斯定律0000029prssDpnqVxkTQFqLkTp所以：上式中，金属电极为正时，即Vs＞0，Qs用负号反之，Qs是正号。对应的是，Vs＞0时，半导体表面积累电子，反之，积累空穴。在表面处，V=Vs表面层载流子浓度的变化：单位面积的表面层中空穴的改变量：00000()exp()1pppqVpppdxpdxkT/0,;,0dxdVExVVsxV以代入上式，000000exp()12(,)pDVspopqVqpLkTpdVnqVkTFkTp同样可得半导体表面层的电子浓度的变化！上式同样表明，表面空间电荷层的电荷密度随表面势而变化，这相当于电容效应，可用微分电容表示：SSSQCV在上述推导过程中，从电势V,到电场E，再到电荷Q，最后到电容C。Cs～V?ssQV在外加小信号，