第6讲半导体表面与MIS结构

固体电子学基础II姜胜林华中科技大学电子系教授，博士生导师西七楼309室，Tel:[phone]Email:[e-mail]2007年1半导体中的电子状态3载流子输运4非平衡载流子5p－n结6半导体表面与MIS结构7金属和半导体的接触9半导体的热电性质8异质结2半导体中载流子的统计分布40学时本章内容提要表面态表面电场效应MIS结构C-V特性硅－二氧化硅系统表面电导6半导体表面与MIS结构AlThinFilmPt/TiSiO2p-SiMembraneSourceDrainChannelSi-substrateGateIRPSGN-SiP+P-P+N+N+CMOS集成电路工艺--以P阱硅栅CMOS为例BST铁电薄膜单元红外探测器的结构示意图自然科学基金博士论文新型铁电薄膜及其铁电半导体场效应器件基础研究Si基铁电场效应晶体管的制备与特性研究用于存储器的SrBi2Ta2O9铁电薄膜及其铁电/半导体异质结构的研究SOC（自然科学基金重大专项）表面：固体与真空之间的分界面。界面：不同相或不同类的物质之间的分界面。固体有限表面界面周围的环境相互作用物理和化学特性产生很大影响新兴的多学科综合性边缘学科主要内容表面电场效应表面态表面电导及迁移率硅－二氧化硅系统（了解）MIS结构电容－电压特性清洁表面：一个没有杂质吸附和氧化层的实际表面真实表面：由于环境的影响，实际接触的表面往往生成氧化物或其他化合物，还可能有物理吸附层，甚至还有与表面接触过的多种物体留下的痕迹。6.1表面态1.理想表面和实际表面理想表面：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晶体表面。实际表面清洁表面表面驰豫：沿垂直表面方向偏离平衡位置表面重构：沿平行表面方向偏离平衡位置总结：“表面”并不是一个几何面，而是指大块晶体的三维周期结构与真空之间的过渡区，它包括了所有不具有体内三维周期性的原子层。硅理想表面示意图表面能级示意图一定条件下，每个表面原子在禁带中对应一个表面能级2.表面态体内：周期性势场因晶体的不完整性（杂质原子或晶格缺陷）的存在而受到破坏时，会在禁带中出现附加能级。表面：在垂直表面的方向上破坏了原来三维无限晶格的周期性晶格电子的势能在垂直表面的方向上不再存在平移对称性哈密顿的本征值谱中出现了一些新的本征值附加电子能态（表面态）形成机理：塔姆(Tamm)表面态：晶格中断引起，能量位于禁带中（1932年），与杂质能级相联系的表面态肖克莱(shockley)表面态：（源于原子能级）晶格常数小于某一数值以至能带发生交迭时才可能分裂出两个位于禁带当中的定域于表面的能态（1939年）,与势场在两原子层中间突然终止相对应存在状态：本征表面态：即清洁表面的电子态，表面驰豫和表面重构对表面电子态影响大（没有外来杂质）外诱表面态：表面杂质，吸附原子和其他不完整性产生表面态特性：①可以成为半导体少数载流子有效的产生和复合中心，决定了表面复合的特性。②对多数载流子起散射作用，降低表面迁移率，影响表面电导。③产生垂直半导体表面的电场，引起表面电场效应。补充：金属半导体接触及其能级图（复习）与电子作用：类施主态：空态时带正电，被一个电子占据后为中性的表面态类受主态：空态时为中性，被一个电子占据后带负电的表面态金属和半导体的功函数功函数：金属中的电子从金属中逸出，需由外界供给它足够的能量，这个能量的最低值被称为功函数Wm=E0-(EF)m金属中的电子势阱半导体的功函数和电子亲和能E0为真空电子能级Ws=E0-(EF)sx=E0-EcWs=x+[Ec-(EF)s]=x+EnEn=Ec-(EF)s电子亲和能6.2表面电场效应1.表面电场的产生①表面态与体内电子态之间交换电子②金属与半导体接触时，功函数不同，形成接触电势差③半导体表面的氧化层或其它绝缘层中存在的各种电荷，绝缘层外表面吸附的离子④MOS或MIS结构中，在金属栅极和半导体间施加电压时⑤离子晶体的表面和晶粒间界2.空间电荷层和表面势（金属与半导体间加电压）外加表面电场空间电荷层空间电荷层：为了屏蔽表面电场的作用，半导体表面所形成有一定宽度的“空间电荷层”或叫“空间电荷区”，其宽度从零点几微米到几个微米。表面势MIS结构表面空间电荷区内能带的弯曲假设：金半接触的功函数差为零；绝缘层内无电荷；绝缘层与半导体界面处不存在任何界面态。表面电场和表面势注意研究的区域金属中自由电子密度高，电荷分布在一个原子层的厚度自由载流子密度要低得多表面势：空间电荷层内的电场从表面到体内逐渐减弱直到为零，电势发生相应变化，电势变化迭加在电子的电位能上，使得空间电荷层内的能带发生弯曲，“表面势VS”就是为描述能带变曲的方向和程度而引入的。TkxqVpxpTkxqVnxnss0s00s0expexp表面电场可以改变表面电导表面空间电荷层的电荷与Vs有关，表现出电容效应表面电势比内部高时取正值。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电压VG而变化，分为堆积、耗尽和反型三种情况。由波耳兹曼统计，表面层载流子浓度ns、ps和体内平衡载流子浓度n0、p0的关系为：理想MIS结构（p型）在各种VG下的表面势和空间电荷分布（a）多子堆积；（b）多子耗尽；（c）反型VG＝V0＋VS（V0为绝缘层压降）注意(1)多数载流子堆积状态（p型）(2)多数载流子耗尽状态(3)少数载流子反型状态VG0Vs0能带上弯热平衡时EF为定值价带顶与EF靠近价带空穴浓度增加表面层空穴堆积（正电荷）能带下弯价带顶离EF越远价带空穴浓度降低表面层空穴耗尽（负电荷，电离受主）VG0进一步增加能带进一步下弯（EF高于Ei）电子浓度超过空穴浓度，反型层（负电荷，电离受主、电子）VBVs0VsVB0qVB＝（Ei－EF）体内势VG0Vs0思考：Vs＝0VB＝Vs时的特征反型状态弱反型：ssp0pnp强反型：sps0ppn推导强反型的条件Vs＝2VB及VB值（设非简并条件下受主全部电离）p型半导体表面反型时的能带图n型半导体如何讨论！！弱反型强反型表面空间电荷层的电场、电势和电容有何特征？p型硅中，|QS|与表面势Vs的关系315Acm104N室温下，求解泊松方程表面层中电场强度Es、电势高斯定理s0rssEQsssVQC微分电容表面空间电荷层Vs向负值方向增大，Qs急剧增加Es＝0，Qs＝0，C（平带电容）Es，Qs正比于(Vs)1/2弱反和强反变化不同表面电场，表面电荷和表面层电容都随VS指数增长（强反型状态（VS≥2VB））反型层中电子浓度增加随VS指数增长的电子浓度完全屏蔽了其后继续增长的外电场表面耗尽层的厚度将达到一个最大值，不再随外电场增长而加宽表面出现的高电导层，形成了新谓“反型沟道”(MOS晶体管工作依据)总结：反型（临界）本征状态耗尽（临界）平带状态堆积Vs0Vs=0VBVs0Vs=VB0VsVB0强反型Vs2VBMOS器件平衡态：（VG不变或速率慢）(4)深耗尽状态施加幅度较大的正栅压形成反型层（稳定）（过渡过程）深耗尽状态加压瞬间，电子来不及产生，无反型层宽度（随正栅压增大而增大）很宽的耗尽层中的电离受主补偿金属栅极大量正电荷（电中性要求）Vs特别大，-qVs特别低，电子的表面深势阱不稳定态表面电场幅度较大，变化快少子来不及产生无反型层多子（空穴）进一步向体内深耗尽状态（非平衡态）CCD工作的基础不稳定态耗尽层载流子浓度小于平衡浓度，产生率大于复合率，电子-空穴对产生电子和空穴分别向表面和体内运动空穴到达耗尽层与体内中性区交界处，中和电离受主，耗尽层宽度减小反型层形成耗尽层宽度一定产生率等于复合率达到稳定状态引入代表信息的电子电荷填充电子势阱势阱深度的减小与存储的电荷量成正比电子向表面运动Why?MOS栅极施加脉冲电压时，能带和相应的势阱变化电子表面深势阱非稳态稳态3.MOS场效应晶体管及CCD器件(1)MOS场效应晶体管N沟道MOS场效应晶体管结构示意图（源）（栅）（漏）N沟道S→D：n+-p-n+结，之间加电压只有很小电流G加外电场足够强：S与D之间二氧化硅以下p型硅出现反型层栅极电场强度沟道宽窄调制半导体导电能力栅压为零时四种实际MOS场效应晶体管能带图ppnn如何正确画出来!!(2)电荷耦合器件（Charge-CoupledDevices,CCD）三相电荷耦合器件输入二极管输出二极管输出栅输入栅时钟输入MOS栅极施加脉冲电压时，能带和相应的势阱变化电子表面深势阱CCD与MOS应用：MOS是在金属栅极上加电压使半导体表面形成反型层而进行工作CCD是在金属栅极上加电压使半导体表面形成耗尽状态进行工作深耗尽状态电子深势阱引入电子电荷代表信息表面势减小势阱深度减小与存储电荷量成正比势阱填充电荷的存储和传输（信息）不同时刻控制不同的势阱深度6.3MIS结构的电容－电压特性（C-V）1.理想MIS结构的C-V特性0s0s0GCQVVVVGsGMddddVQVQCMIS结构电容sssdVdQC令s0111CCCMIS结构的等效电路耗尽状态：VG增加，xd增大，Cs减小，CD段Vs2VB时：EF段（低频）高频时：反型层中电子数量不能随高频信号而变，对电容无贡献，还是由耗尽层的电荷变化决定（强反型达到xdm不随VG变化，电容保持最小值）；GH段MIS结构C-V曲线绝对值较大时，C＝C0，AB段（半导体看成导通）绝对值较小时，随V增加而减小，BC段CFB（1）VG0（2）VG＝0（3）VG0理想MIS结构的C-V曲线（以p型为例）频率对MIS的C-V特性影响n型半导体MIS结构的C-V特性2.金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性的影响金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性的影响VG＝0平带情形p型硅的功函数金属Al电子从金属流向半导体产生指向半导体的内部电场达到平衡，费米能级相等qWWVmsms施加平带电压,抵消功函数不同产生的电场和能带弯曲VFB＝－Vms功函数对C-V特性曲线的影响qWWVmsms绝缘层中薄层电荷的影响VG＝0平带情形3.绝缘层中电荷对MIS结构C-V特性的影响同理，当MIS结构的绝缘层中存在电荷时，同样可引起C-V曲线沿电压轴平移VFB薄层电荷Q感应金属表面、半导体表面层符号相反电荷半导体空间电荷层产生电场6.4硅－二氧化硅系统的性质（了解）BST铁电薄膜热释电单元红外探测器结构示意图BST铁电薄膜热释电单元红外探测器P+-SiO2SiO2SiO2Si（5）形成背面Si腐蚀窗口SiSiO2（6）制备微桥SiSiSiP+-SiO2SiO2Pt/Ti（7）正面蒸Ti、溅射PtSiSi（8）底电极图形刻蚀SiO2P+-SiO2SiO2Pt/TiSiSiSiO2BSTfilm（9）制备BST薄膜SiSiSiO2BSTfilmNi/Cr（10）刻蚀BST薄膜及上电极图形（3）刻蚀正面SiO2SiO2（1）清洗硅片Si（2）硅片热氧化SiP+-SiO2SiO2（4）扩硼SiSiBST铁电薄膜热释电红外探测器制备工艺步骤①二氧化硅层中的可动离子（Na+K+H+）②二氧化硅层中的固定电荷（位于Si-SiO2界面附近20nm附近）③界面态（位于禁带中，与半导体交换电荷）④电离陷阱电荷（各种辐射引起）硅－二氧化硅系统中的电荷和态硅－二氧化硅系统6.5表面电导表面电导表面有效迁移率：与表面电荷有关，比相应体内迁移率约低一半(表面态特性2)表面层载流子数量：与表面势Vs有关（MOS原理）np,电子迁移率与总表面电荷的关系空穴迁移率与总表面电荷的关系