半导体物理第八章-2014

本课程的主要内容第八章半导体表面与MIS结构第九章半导体异质结第十章半导体的光学性质和光电与发光现象第十一章半导体的热电性质第十三章非晶态半导体一、半导体理论的发展历史1、19世纪末、20世纪初，量子理论、固体理论的完善为半导体理论和技术的诞生奠定了理论基础；2、1947年12月23日，世界上第一支晶体管诞生于贝尔实验室；3、1952年英国人达默提出了集成电路的设想；4、1958年由德州仪器公司的基尔比领导的小组研制出了世界上第一块集成电路；5、上世纪50年代末，半导体理论趋于成熟和完整。二、发展趋势1、高集成度；2、大容量；3、系统化；4、多功能。三、当前研究的热点1、特征尺寸进入纳米尺度；2、电路结构走向SOC；3、低功耗、低电压驱动；4、能带工程；5、稀磁半导体。四、微电子技术面临的挑战★缩小工艺的特征尺寸★扩大硅片直径历来都是推动微电子技术进步的“两个车轮”目前这两个车轮都遇到了阻碍★缩小工艺的特征尺寸的瓶颈技术是--光刻技术目前采用193nm浸液式，再加上两次图形曝光技术已经可以实现20nm工艺技术的量产。下一代14nm可能是个坎儿。解决途径：其一采用更复杂的三次图形曝光技术，但会大幅度增加工艺复杂度（即曝光次数）和制造成本；其二是采用具有革命性的14nmEUV光刻技术（EUV是指波长为13.5nm的远紫外光曝光技术）。但目前EUV光源的输出功率仅为10~20W，还远远达不到量产所需的250W。★扩大硅片直径主要受成本等综合因素的限制目前硅片直径正由300nm向450nm过渡，理论上讲，硅片直径的增大是迟早会被采用的，因为硅晶圆面积被放大了2.25倍，但其成本仅增大约30%。半导体业界对450nm晶圆的热情还不强烈首先半导体设备制造商的积极性就不高，由于450nm设备的投资高达200亿美元，担心研发成本可能无法收回；其次，半导体器件制造商的积极性也不高，唯恐高达100亿美元的建厂费用无法收回。目前对于450nm有能力、有兴趣的芯片制造商仅有三家，即英特尔、三星和台积电。2013年十大IC设计企业排名企业名称销售额（亿元）1深圳市海思半导体有限公司74.22展讯通信有限公司43.83锐迪科微电子（上海）有限公司24.64中国华大集成电路设计集团有限公司16.15杭州士兰微电子股份有限公司12.66格科微电子（上海）有限公司11.87联芯科技有限公司11.78国微科技有限公司11.29北京中星微电子有限公司11.010北京中电华大电子设计有限责任公司9.4五、我国2013年微电子产业发展概况2013年十大制造企业排名企业名称销售额（亿元）1SK海力士半导体（中国）有限公司137.82英特尔半导体（大连）有限公司125.63中芯国际集成电路制造有限公司106.84华润微电子有限公司35.25台积电（中国）有限公司34.26天津中环半导体股份有限公司25.47上海华虹NEC电子有限公司23.58和舰科技（苏州）有限公司13.59上海宏力半导体制造有限公司12.510吉林华微电子股份有限公司10.6排名企业名称销售额（亿元）1英特尔产品（成都）有限公司188.42江苏新潮科技集团有限公司66.53飞思卡尔半导体（中国）有限公司64.94威讯联合半导体（北京）有限公司45.05南通华达微电子集团有限公司41.36海太半导体（无锡）有限公司33.97上海松下半导体有限公司33.78三星电子（苏州）半导体有限公司23.79瑞萨半导体（北京）有限公司23.210英飞凌科技（无锡）有限公司23.02013年十大封装测试企业中国集成电路产业链各环节规模与增速（单位：亿美元）设计业制造业封装业2012526.4431.6975.72013621.68501.11035.67增长率18.10%16.10%6.10%2013年全球半导体地区市场增幅情况地区美国欧洲日本亚太增幅-1.50%-11.30%-4.30%-0.60%第八章半导体表面与MIS结构Part1第八章8.1表面的基本概念8.2表面空间电荷区的基本性质8.3MIS结构的C-V特性8.4Si-SiO2系统8.5表面电导及表面迁移率8.6表面电场对PN结特性的影响半导体表面问题在微电子技术的科学实验和生产实践中越来越显得关键和重要，其原因有三点：1、利用半导体表面特有的效应研制出了许多非常重要的新器件，例如MOS器件，CCD器件等。2、半导体表面的状态可以严重地影响半导体器件的性能，特别是影响器件的稳定性和可靠性。3、随着微电子制造技术的进步，薄膜型器件不断涌现，在薄膜型器件中，表面效应及表面性质起着决定性的作用。8.1表面的基本概念一、表、界面的定义表、界面是指由一个相到另一个相的过渡区域。表、界面通常可以分为以下五类：固—气、液—气、固—液、液—液、固—固气体和气体之间总是均相体系，因此不存在表、界面。习惯上把凝聚相与气相之间的分界面（固—气、液—气）称为表面，而把凝聚相之间的分界面（固—液、液—液、固—固）称为界面。二、物理表面1、理想表面就固体材料而言，理想表面就是指表面的原子位置和电子密度都和体内一样。实际上，由于受垂直于表面方向上原子排列周期性终止的作用，表面附近的电子波函数发生了严重的畸变，理想表面是不可能存在的。清洁表面指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应、杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面。只有用特殊的方法，如高温热处理、离子轰击加退火、真空解理、真空沉积等才能获得清洁表面。必须在超高真空下才能维持。2、清洁表面在物理学中，一般将表面定义为三维的规整点阵到体外空间之间的过渡区域，在这个过渡区域内，周期点阵遭到严重扰动，甚至完全变异。（第三相）二、物理表面在清洁表面上，可以发生多种与体内不同的结构和成分变化，如:驰豫——表面附近的点阵常数发生了明显的变化。重构——表面原子重新排列，形成不同于体内的晶面。台阶化——指出现了一种比较有规律的非完全平面结构的现象。偏析——指溶液或溶质在相界、晶界或缺陷上的聚集。吸附有外来原子的表面。吸附原子可以形成无序或者有序的覆盖层。覆盖层可以具有和基体相同的结构，也可以形成重构表面层。覆盖层结构中也存在有缺陷，且随温度发生变化。3、吸附表面三、材料表面材料科学研究的表面包括各种表面作用和过程所涉及的区域，其空间尺度和状态决定于作用影响范围的大小和材料与环境条件的特性。1、机械作用界面：受机械作用而形成的表、界面。常见的机械作用有切削、研磨、抛光、喷砂、磨损等。2、化学作用界面：由表面反应、粘接、氧化、腐蚀等化学作用形成的界面。3、固态结合界面：由两个固体相直接接触，通过真空、加热、加压、界面扩散、键合等途径形成的界面。4、液相或气相沉积界面：物质以原子尺寸形态从液相或气相析出而在固体表面形成膜层或块体的界面。5、凝固共生界面：两个固体同时从液相中凝固析出，并且共同生长所形成的界面。6、熔焊界面：在固体表面造成熔体相，然后两者在凝固过程中形成冶金结合的界面。四、表面能级、表面态表面实质上就是晶体周期性的中断，或周期性势场的中断，它必然在禁带中引入能级，这种能级称为表面能级。每个表面原子对应禁带中的一个表面能级，这些表面能级按一定规律组成表面能带。根据固体理论求解薛定谔方程，可获得表面能级分布的情况，即状态密度，对应的状态称为表面态。从晶体结构上看，表面原子排列不规则，而且表面上往往吸附有其它的分子或原子。本章讨论的是理想表面，即晶体表面原子排列比较规则，且不吸附有任何非本体分子或原子的表面。8.2表面空间电荷区的基本性质一、表面空间电荷区的形成引起半导体表面产生表面空间电荷区的原因：1、功函数：由于功函数的不同，当金属和半导体接触时，在半导体表面形成空间电荷区；2、外电场：有外电场作用时，可在半导体表面形成空间电荷区；3、表面态：当半导体表面吸附有离子时，也可在半导体表面形成空间电荷区；4、绝缘层中的电荷：当与半导体接触的绝缘层中存在电荷时，也可在半导体表面形成空间电荷区。一、表面空间电荷区的形成理想MIS（金属—绝缘层—半导体）结构：①金属与半导体间的功函数差为零，即Wm=Ws;②绝缘层内没有电荷，且绝缘层完全不导电；③绝缘层与半导体界面处不存在任何界面态。++++++++--------P-SM+-+Q-QI一、表面空间电荷区的形成金属一边的电荷+Q分布在很薄的薄层内，大约在一个原子层内。而半导体中的-Q分布在表面层零点几～几个微米厚的薄层内，形成了空间电荷区。在空间电荷区内，从表面到体内电场逐渐减小，到达空间电荷区的另一端，场强减小为零。由于电场是变化的，那么空间电荷区内的电势也随距离逐渐变化，即从表面到体内存在一个电势差，能带也因此而弯曲。常称空间电荷层两端的电势差为表面势，以VS表示。规定：表面电势高于体内时，Vs＞0；体内高于表面时，Vs＜0。++++++++--------P-SM+-+Q-QI二、空间电荷区的几种类型1).多子积累状态VG0，VS0，表面电势低于体内，则表面电子能量高于体内，表面处能带向上弯曲。----++++++++-+MIP-Sx)(xVECEiEQ0GV----EF0pspp二、空间电荷区的几种类型2).平坦能带状态VG=0时，VS=0，能带不发生弯曲，表面空穴浓度等于体内空穴浓度。MIP-SVEsFE)(CEMFE)(二、空间电荷区的几种类型3).多子的耗尽状态VG0，VS0，即表面电子能量比体内电子能量低，表面能带向下弯曲，形成空穴势垒，表面处的空穴浓度比体内低得多，在半导体表面附近形成耗尽层。x)(xEVECEi电离受主贡献(EF)MVG0(EF)S+++------+-MIP-S+++sP0pspp二、空间电荷区的几种类型4)．本征状态0pisspnpn在耗尽状态的偏置下，进一步增加VG到使得EF=(Ei)s，能带进一步向下弯曲。此时:x)(xEVECEi(EF)M(EF)S+++----+-MIP-S+++--++---+二、空间电荷区的几种类型5).少子的反型VG进一步增大，表面处能带进一步向下弯曲，表面处的费米能级离导带底比离价带顶更近，表面处电子浓度超过空穴浓度，形成反型层。即ns＞ps这时半导体空间电荷区内负电荷由两部分组成：耗尽层中已电离的受主电荷QA和反型层中的电子电荷Qn。+-MIP-Sx)(xVEsFE)(CEiEnQAQAnQQQ0GV三、空间电荷区的电场、电荷分布、电容与表面势的关系1、一般表达式空间电荷区中电势满足的泊松方程为：0r22(）xdxVd其中：)(q)(pPADnPpnxx+++------+-MIP-S+++0TkqVPTkqVEENppVFVp000expexpTkqVnTkqVEENnpFCCp000expexp半导体是非简并半导体，空穴和电子浓度的表达式为：式中Pp0和np0分别为半导体体内的热平衡空穴和电子的浓度；V为pp和np对应的坐标x处的电势（取半导体内部的电势为零）。另外，半导体是均匀掺杂，因此，在半导体体内电中性条件成立，即：00000ppADpApDpnpnnppnx或有三、空间电荷区的电场、电荷分布、电容与表面势的关系00ppppnnppqx将pp和np的表达式代入ρ(x)的表达式中，得：110000TkqVpTkqVpenepqx110000022TkqVpTkqVprenepqdxVd三、空间电荷区的电场、电荷分布、电容与表面势的关系三、空间电荷区的电场、电荷分布、电容与表面势的关系将各量的表达式代入，并积分（积分限从半导体体内到表面）整理后得：)(2||0000ppDpnTkqVFqLTkdxdVE，（取半导体内部电势为零）210000000)]