半导体物理 第八章 半导体表面与MIS结构

第八章半导体表面与MIS结构8.1表面态；8.2表面电场效应；8.3MIS结构的电容-电压特性；8.1表面态半导体的表面特性与半导体器件的特性有很密切的联系。许多半导体器件，如MOS(金属-氧化物-半导体)器件、电荷耦合器件、表面发光器件，都是利用半导体的表面效应制成的。本章主要讨论表面态、表面电场效应、硅-二氧化硅系统、MIS结构(金属-绝缘体-半导体)结构的电容-电压特性等意义：1.改善器件性能，提高器件稳定性；2.探索、研发新型器件；3.提高集成电路的可靠性与稳定性。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等表面能级：由于晶格的不完整性使势场的周期性受到破坏，在禁带中引入附加能级。达姆表面能级：晶体自由表面周期势场发生中断或破坏引入的附加能级。悬挂键：晶体自由表面的最外层原子中有一个未配对的电子，即未饱和的键。表面态：悬挂键所对应的电子能态。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的半无限表面。理想表面实际上是不存在的。实际密度：1010~1012cm-2悬挂键特点：与体内交换电子或空穴。硅表面被氧化后，表面形成一层致密的二氧化硅保护层，大部分悬挂键被氧原子所饱和，表面态密度大大降低。8.2表面电场效应在金属-半导体间加电压即可产生表面电场,在理想情况下，MIS结构中满足以下条件：以MIS结构(金属-绝缘层-半导体)为例1.金属-半导体间功函数差为零；2.在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电。3.绝缘体与半导体界面处不存在任何电荷。8.2.1空间电荷层及表面势MIS结构加电压后，金属-半导体间充电，相当于一个电容。电荷分布：金属中，自由电子密度很高。半导体中自由电子密度低，电荷分布在一定厚度的表面层内。这个带电的表面层称作空间电荷区。空间电荷区电场：从表面到内部逐渐减弱。在空间电荷区的另一端，减小为零。空间电荷区电势：随距离逐渐变化。表面发生能带向下弯曲现象。1.多数载流子堆积状态(P型半导体为例)金属-半导体加反向电压(金属端负)，表面势为负，能带向上弯曲。热平衡下，半导体内费米能级不变。接近表面，价带顶向上弯曲甚至超过费米能级，价带中空穴浓度随之增加，表面层出现空穴堆积现象。靠近表面区域，价带顶离费米能级低得多。表面空穴浓度比体内低得多，这种状态称为耗尽。2.多数载流子耗尽状态金属-半导体加正向电压(金属端正)，表面势为正，能带向下弯曲。价带中空穴浓度随之减少。以p型半导体为例表面处费米能级高于禁带中央能级Ei,使费米能级远离价带顶，靠近导带底，意味着表面处电子浓度将超过空穴浓度。反型层位于表面，与半导体内部还夹着一层耗尽层。3.少数载流子反型状态当金属-半导体间的正向电压进一步加大，表面能带进一步向下弯曲。形成与原来半导体衬底的导电类型相反的一层导电层，称为反型层。8.2.2表面空间电荷层的电场、电势和电容MIS结构的电容=绝缘层的电容C0+空间电荷区电容Cs1.空间电荷区电容Cs空间电荷区电势满足泊松方程022)(rsxdxVd总的空间电荷(x)=q(nD+-PA-+Pp-np)nD+电离施主,PA-电离受主，Pp，np为x点空穴、电子浓度)exp(00TkqVnnpp)exp(00TkqVpppp半导体内部，电中性条件成立(x)=0nD+-PA-=np–Pp0)022)(rsxdxVd将np0、pp代入dxdVE在半导体表面处，V=Vs),(20000ppsDspnTkqVFqLTkE在半导体表面面电荷密度，Qs=-rs0Es),(200000ppsDrsspnTkqVFqLTkQ半导体表面的电容Cs=-dQs/dVs电荷密度Qs随表面势Vs变化而变化当金属电极为正，VS〉0，Qs用负号；当金属电极为负，VS0，Qs用正号；1.多数载流子堆积状态)2exp(),(0000TkqVpnTkqVFspps)2exp(200TkqVqLTkEsDs)2exp(2000TkqVqLTkQsDrss)2exp(00TkqVLCsDrss以p型半导体为例当外加偏压VG0时，V和VS0,F函数中exp[qV/k0T]exp[qV/k0T]另外，np0/pp01,2.平带状态当VG=0,表面势Vs=0,表面能带不弯曲，称为平带状态。ES=0,Qs=0，由于Vs=0代入电容表达式(8.31)将给出不定式，所以)1(2000ppDrsspnLCDrssLC02由接近平带时Vs趋于0时的电容为：对p型半导体，np0pp0电容为：3.耗尽状态当VG为正,但还不足以使Ei弯曲到EF以下，空间电荷区处于空穴耗尽状态。V、Vs都大于零。Np0/pp012/10000)(),(TkqVspnTkqVFpps2/12/10)()(2sDsVqTkLE2/100)(1TkqVLCsDrss2/12/100)()(2sDrssVqTkLQ将pp0=NA,LD关系代如，得2/10)2(srsAsVqNCQs为负，为电离受主形成的负电荷。耗尽状态时，空间电荷层的空穴已全部耗尽，电荷由电离受主杂质构成，所以，耗尽状态也可通过泊松方程解，变为022rsAqNdxVd边界条件：X=xd,dV/dx=0)(0xxqNdxVddrsA设体内电势为零，X=xd,V=0,再积分20)(2xxqNVdrsA在表面，X=0，表面电势202drsAxqNV代入耗尽电容公式中drssrsAsxVqNC02/10)2(drssxC0相当于一个平行板电容器的电容，表面势Vs增加，耗尽层宽度加宽。半导体空间电荷层中单位面积的电量为Qs=-qNAxd4.反型状态随VG为正增大,使Ei弯曲到EF以下，出现反型状态。分强反型、弱反型两种根据玻耳兹曼分布)exp(00TkqVnpBip表面处少子浓度)exp()exp(00200TkqVpnTkqVnnspisps当表面处少子浓度ns=pp0时)2exp(00TkqVnpsip得到强反型的临界条件VS2VBqVB=Ei-EF,)ln(iAoBnNqTkV得强反型条件：)ln(2iAosnNqTkV衬底掺杂浓度越大，Vs越大，越不容易达到强反型。Vs=2VB称为开启电压。此时，VG=VT)ln(0iAnNqTkVB2/12/10)()(2sDsVqTkLE2/100))((psDrsspnLC临界反型时2/10)4(BArssVqNQ当Vs2VB时达到强反型,Qs随Vs指数式增大2/100)2(rsssTknE2/100)2(srssnTkQCs也随ns增大而增大强反型后，耗尽层宽度达到极大值xdm,不随外加电压增大而增大8.3MIS结构的电容-电压特性MIS结构是组成MOS晶体管等表面器件的基本部分。MIS结构相当于一个平行板电容器。对MIS结构加某一电压VG,VG一部分V0降落在绝缘层上，一部分Vs降落在半导体表面层VG=V0+Vs8.3.1理想MIS结构的电容-电压特性绝缘层中无电荷，绝缘层中电场均匀V0=E0d0介质中的电位移矢量的大小D=0r0E0金属中的面电荷密度QM=等于介质中的电位移矢量DV0=E0d0=QMd0/0r0E0r0为绝缘层介电常数考虑到QM=-Qs如果MIS上所加电压变化dVG将dVG代入，得00CQVs0000dCrssGdVCdQdV0则MIS电容为GsGMdVdQdVdQCsssdVCdQdQC0sssssdVdQdVdQC表明MIS的电容相当于绝缘层的电容和半导体空间电荷区电容相串联。sssssdVdQdVdQC设sssssdVdQCdVCdQdQC0011sCCC1110则C=C0,MIS结构的电容不随VG变化，总电容等于绝缘层电容，说明半导体内部到表面是导通的。如图AB段所示当偏压VG为负时，半导体表面处于堆积状态，将表面空间电荷区的电容Cs若加较大的负电压，)1(2000npDsrFBSpnLCsCCC1110代入)2exp(11000TkqVLCCsDsr0)2exp(0TkqVs10CC则若绝缘层厚度d0一定，NA越大，表面空间电荷层越薄CFB/C0也越大。)2exp(11000TkqVsLCCDsr若加较小的负电压，指数项不能略去，C/C0随|VS|的减小而减小(如图BC段所示)当VG=0时，理想的MIS结构，VS=0，平带电容为2/1202000000)(11)(dNqTkCCCCArsrsrFBVsDsrFBSLC02若绝缘层厚度d0越大，C0越小，CFB/C0也越大。利用C-V特性测量表面参数时，常需计算CFB/C0当Vg为正，空间电荷区处于耗尽时，半导体电容为2/10)2(ssrASVqNC2/100000)2(11qpVdCCpsrsrsrVG=V0+VsV0=-Qs/C0V0+Vs-VG=Vs–VG-(QS/C0)=02/100))((2sDsrsVqTkLQ表面电荷2/1200200)21(1dqNVCCArsGr耗尽时，表面空间电荷厚度xd随偏压VG增大而增大。Xd越大，则Cs越小，C/C0也减小。如图CD段所示电容随表面势发生变化反型状态：当外加正向偏压(Vs2VB时)，耗尽层宽度保持在最大xdm反型时，表面空间电容由于qVS2qVBk0T,分母中第二项很快趋于零。MIS电容又增大，并达到C=C0（相当于EF段）（适于信号较低情况）。2/100)(psDsrSpnLC2/1000000)]2exp([110TkqVspndLCCpprrD原因：大量电子在半导体表面积累，绝缘层两边堆积电荷，相当于平行板电容器。高频时，反型层中的电子的产生与复合跟不上高频信号的变化，即反型层中的电子数量不能随高频信号的变化而变化。反型时，xdm达到最大值，并不随VG变化，耗尽区电容达到极小值并保持不变,0000min11'dxCCrdmr反型层中电子对电容没有贡献，空间电荷区的电容仍有耗尽层的变化决定。所以，C/C0=C’min/C0,并保持不随VG变化.如图GH段对同一种半导体，当温度一定时，C’min/C0为绝缘层厚度d0及衬底掺杂浓度NA的函数。MIS结构的电容与频率有关。当d0也一定时，NA越大，C’min/C0值就越大。利用C’min/C0值，可测定半导体表面的杂质浓度。MIS结构电容-电压特性开始强反型时，低频信号下的电容接近C00000min11'dxCCrdmr8.3.2金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性理想MIS结构没有考虑金属和半导体的公函数差的影响。实际中，金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性会产生显著影响。以铝-二氧化硅-p-硅组成的MOS结构为例由于Wsi〉WAl，电子从金属流向半导体因此，在p-硅表面形成负的空间电荷区，金属表面形成正电荷。产生指向半导体的电场，使硅表面层内部向下弯曲。半导体中电子的电势能相对于金属的接触电势差qVms=Ws-WmqWWVmsms这是由于金属和半导体功函数的不同，虽然外加偏压为零，半导体表面并不处于平带。为了使半导体处于平带，需加一个负电压。以抵消两边功函数不同引起的电场和能带弯曲。所加的电压称为平带电压。qWWVVsmmsFB使理想MIS结构的C-V特性曲线向负电压方向移动了VFB的距离。8.3.3绝缘层中的电荷对MIS结构C-V特性的影响绝缘层中总是会存在一定的电荷，对MIS结构C-V特性产生影响无外加电压时，设绝缘层中有一薄层电荷Q，在金属和半导体表面会吸引异号电荷。这些电荷