半导体物理与器件第九章2

半导体物理与器件陈延湖金属半导体结的整流接触特性，即肖特基势垒PN结的理想电压电流特性金属半导体结的欧姆接触概念及特性异质结典型能带结构及性能特点本章重点问题：第九章金属半导体和半导体异质结当金属作为引线电极将器件的电流或电压接入电路时，金半接触需要实现欧姆接触而不是整流接触。良好的欧姆接触是器件制造的重点和难点，也是器件所必备的。特别对于高频和大功率器件。9.2金属半导体的欧姆接触对于高频晶体管器件其性能品质因子为特征频率fT和最高震荡频率fmaxjcCEnBBjcjeCCRRvXDvXCCqIkTfsatdep2T2η21jcbCRff8Tmax良好的欧姆接触保证较小的电极电阻Rb、Rc、Re，从而获得较大的ft、fmax欧姆接触：它不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。理想欧姆接触的接触电阻很小，欧姆接触上的电压降应该远小于样品和器件本身的压降；VIVI欧姆接触：线性IV曲线；零偏接触电阻dIdVRC较小如何实现欧姆接触：选择合适的金属使半导体形成反阻挡层，反阻挡层没有整流作用。9.2.1理想非整流接触势垒金属与n型半导体接触：当ms时，在半导体表面形成反阻挡层接触前接触后正偏反偏正偏：电子从半导体流向金属没有遇到势垒，就会有很大的正向电流反偏：电子从金属流向半导体会遇到小的势垒，很容易穿过势垒形成很大的反向电流因而Ms时金属与N型半导体形成欧姆接触，也就是半导表面形成反阻挡层可以形成欧姆接触。同理当ms时，金属与P型半导体也可以形成欧姆接触（参见图9.13）由于半导体表面态的存在，假定半导体能带隙的上半部分存在受主表面态，那么所有受主态都位于EF之下，如图9.11b.这些表面态带负电荷，将使能带图发生变化。同样地假定半导体能带隙的下半部分存在施主表面态，如图9.13b，所有施主态都位于EF之上，这些表面态带正电荷，将使能带图发生变化。因此表面态的作用可能使反阻挡层变为阻挡层，因而导致无法形成良好的欧姆接触如何实现欧姆接触：由于重要半导体材料具有高表面态，往往难以利用选择金属材料的方法实现欧姆接触。在生产实际中常采用隧道效应在半导体上制造欧姆接触。9.2.2隧道效应金属半导体接触的空间电荷层宽度与半导体掺杂浓度的平方根成反比，随着掺杂浓度的增加，遂穿效应增强21]2[dbisneNVx金属与重掺杂半导体结的能带图用比接触电阻Rc表征欧姆接触的好坏：电流密度对电压求导的倒数，单位为Ω.cm210()cVJRV对高掺杂半导体，隧道电流起主要作用，RC强烈依赖于半导体掺杂浓度*2exp()snBncdmRN辅助措施：金属与半导体材料合金化，形成稳定的合金物质：如对硅材料，形成硅化物，即silicide针对难以重掺杂的宽禁带化合物，采用与窄带隙半导体构成缓变异质结来过渡、并加上高掺杂技术，即在宽带隙半导体表面上加一层高掺杂（型号相同）的窄带隙半导体、构成一个异质结来实现欧姆接触。器件中欧姆接触范例：发射极（宽禁带AlGaAs)：生长可高掺杂的窄禁带GaAs层，实现欧姆接触1e191e161e181e19集电极：生长子集电极GaAs层，重掺1e18，实现欧姆接触基极（窄禁带GaAs)：GaAs层重掺杂1e19，实现欧姆接触对HBT器件合金前后器件特性对比:012345-0.0050.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.040ICVCEafterannoybeforeannoy通过合金，HBT器件的集电极金半接触电阻变小，HBT器件的饱和电压减小。9.3异质结异质结定义：由两种不同的半导体材料形成的结称为异质结(heterojunction)。由于形成异质结的两种半导体单晶材料的禁带宽度、介电常数、折射率、吸收系数等物理参数不同，异质结(heterojuction)表现出不同于同质结（homojunction）的性质。异质结器件的发展：1948年肖克莱提出HBT概念和获得专利；1960年制造成功第一个异质结；1969年实现异质结半导体激光器；1972年IBM实现HBT器件(GaAs基）；1980实现HEMT器件；1987年IBM实现SiGeHBT分子束外延生长（MBE）异质结制作技术：外延技术—液相、气相、分子束等。异质结的分类反型异质结：指由导电类型相反的两种不同的半导体材料所形成的异质结。如p型Ge与n型GaAs所形成的结，记为p-nGe-GaAs；若异质结由n型Ge与p型GaAs所形成，记为n-pGe-GaAs。同型异质结：指由导电类型相同的两种不同的半导体材料所形成的异质结。如n型Ge与n型GaAs形成n-nGe-GaAs。异质结也可以分为突变型异质结和缓变型异质结两种一般把禁带宽度较小的半导体材料写在前面。或者用大写字母表示较宽带隙的材料，如Np，nP，Nn，pP。9.3.2异质结能带图在研究异质结特性时，异质结的能带图起着重要作用，异质结的能带图取决于形成异质结的两种半导体的电子亲和势、禁带宽度、及功函数、界面态等真空能级窄禁带材料p型Ge和宽禁带材料N型GaAs成结前的能带图不考虑界面态时的突变反型异质结能带图形成突变nP异质结后的热平衡能带图Vbi为接触电势差或内建电势差bibinbipFnFpspsnbibinbipeVeVeVEEeeVVVVbin和Vbip分别为交界面两侧半导体的内建电势差。突变pN异质结后的热平衡能带图特点1能带在交界面处不连续，有一个突变。EC和EV的出现将阻碍载流子通过界面，这种对载流子的限制作用是同质结中所没有的导带底处:价带顶处:()CnpEe)()VCgpgnVgpgnnpEEEEEEEe（突变pN异质结后的热平衡能带图特点2能带在交界面处出现”尖峰”和”凹口”。因而可能会出现电子或空穴的堆积。9.3.3二维电子气以同型异质结n/NGaAs-AlGaAs为例，其能带图如下势阱（凹口）中积累了电子基于量子力学，势阱中的电子能量是量子化的因此，电子在与界面垂直的方向上有量子化的能级，同时可以向空间其他两个方向自由移动，这种电子称二维电子气二维电子气可位于低掺杂或不掺杂的区域，因而其中电子的迁移率远高于存在电离掺杂杂质的区域的电子的迁移率如果异质结变为缓变结，则二维电子气的迁移率还可以进一步提高二维电子气的优点：0000[()][()][()()()()lnlnln()ln()bispsnbipgpFpvpngnFnvnbipngpgnFnvnFpvpvpvnbiCgnppvnbivnovpcpnobicpcnVeVeEEEeEEEeVeEEEEEENNeVEEkTkTpppNeVEkTpNNneVEkTnN9.3.4静电平衡态半导体异质结由于特殊的能带结构(能带不连续，存在势垒尖峰和势阱)及晶格不匹配而引入界面态等因素，异质结的电流电压关系较同质结复杂的多。存在多个电流电压模型：扩散模型发射模型发射复合模型隧道模型隧道复合模型等9.3.5IV特性同质结与异质结电流电压成分对比：（1）同质结中电子势垒与空穴势垒相同，电子电流与空穴电流的相对数量级由相对杂质浓度决定。（2）但在异质结中，电子势垒与空穴势垒有可能不同，较小的势垒高度导致较大的载流子电流，实际电流可由势垒高度小的载流子电流决定。空穴由P型半导体的价带到N型半导体的价带所遇势垒高度：VEpbiveeVE电子由N型半导体的导带到P型半导体的导带所遇势垒高度：nbiceeVE12biDDVVV负反向势垒PN异质结负反向势垒PN异质结扩散电流表达式：电子扩散流：空穴扩散流：2102()exp[]exp(1)pbivppeDpeVEeVJLkTkTpbiveeVEnbiceeVE所以：pnJJ1201()exp[]exp(1)nbiCnneDneVEeVJLkTkT小结不同功函数的金属和半导体接触特性金属与半导体的整流接触，肖特基势垒的特性金属与半导体整流接触的电流电压关系热电阻发射理论肖特基势垒二极管与pn结二极管的不同欧姆接触的概念与形成方法异质结能带图二维电子气