38第八章半导体表面与MIS结构

第八章半导体表面与MIS结构第八章半导体表面与MIS结构第八章半导体表面与MIS结构重点：表面空间电荷层的性质(表面电场效应)MIS结构的C-V特性(理想和非理性MOS电容)多子堆积状态平带状态多子耗尽状态少子反型状态硅–二氧化硅系统的性质平带电压第八章半导体表面与MIS结构金属绝缘层半导体欧姆接触C0CsVGMIS结构的等效电路MIS结构示意图第八章半导体表面与MIS结构VFB理想实际C/C00VGP型半导体MIS结构的C-V特性第八章半导体表面与MIS结构半导体表面效应支配着大部分半导体器件的特性。MOS（金属—氧化物—半导体）器件电荷耦合器件CCD表面发光器件等利用半导体表面效应半导体表面研究，半导体表面理论发展，对改善器件性能，提高器件稳定性，探索新型器件等具有重要意义。OSM第八章半导体表面与MIS结构最初的MIS结构是由Moll在1959年作为变容二极管的电压控制电容提出的。Al/SiO2/SiMoll当时已经建议由MIS电容监控氧化硅质量。OSM第八章半导体表面与MIS结构1962年，Moll的两位研究生发表的博士论文（Aninvestigatingofsurfacestateatasiliconsilicondioxideinterfaceemployingmetal-oxide-silicondiodes,SolidStateElectronics,5(5),LewisM.Terman,1962)中对MIS中界面束缚态进行详尽研究在两种材料边界和界面中，束缚态称为界面陷阱。由C-V特性曲线数据给出界面陷阱总密度。OSM第八章半导体表面与MIS结构20世纪70年代起，HFCV普遍用作VLSI制造过程监控方法。1965年GROVE等给出正确HFCV物理模型和理论(Investigatingofthermallyoxidizedsiliconsurfaceusingmetal-oxide-semiconductorstructures,J.Appl.Phys.33(8),1964)。1970年Smith在贝尔实验室发明CCD器件。第八章半导体表面与MIS结构作为半导体表面研究，难度大。侧重于：实际表面表面态概念表面电场效应硅－二氧化硅系统性质MIS（指金属—绝缘层—半导体）结构的电容—电压特性等表面效应第八章半导体表面与MIS结构8.1表面态表面处晶体的周期场中断；表面往往易受到损伤、氧化和沾污，从而影响器件的稳定性；表面往往要特殊保护措施，如钝化表面是器件制备的基础，如MOSFET等一、表面的特殊性第八章半导体表面与MIS结构二、理想表面理想一维晶体表面态：薛定谔方程为220202220(0)2()(0)2dVExmdxdVxExmdxxV(x)V0E0a()()VxaVxEV0第一组解：等同于一维无限周期场的解第二组解：对应于表面态'''12001212()()exp(0)()()(0)ikxkxkmVExAxxxAuxeex第八章半导体表面与MIS结构'''12001212()()exp(0)()()(0)ikxkxkmVExAxxxAuxeex在表面x=0两边，波函数指数衰减，说明电子分布几率主要集中在x=0处，即电子被局限在表面附近每个表面原子对应禁带中一个表面能级，这些能级组成表面能带。第八章半导体表面与MIS结构晶格表面处突然终止，在晶格表面存在未饱和的化学键，称为悬挂键，与之对应的电子能态称为表面态。SiSiSiSiSiSiSi硅表面悬挂键示意图悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴获得电子—带负电获得空穴—带正电硅表面原子密度∽1015cm-2,悬挂键密度也应为∽1015cm-2第八章半导体表面与MIS结构三、真实表面1.清洁表面：在超高真空(UHV)(～10-9Torr)环境中解理晶体，可以在短时间内获得清洁表面，但与理想表面不同：解理后的表面易形成再构2.真实表面自然氧化层（~nm）－大部分悬挂键被饱和，使表面态密度降低表面态密度1010~1012cm-2（施主型、受主型）第八章半导体表面与MIS结构3.界面掺杂不同－Sipn(同质结)、不同半导体－异质结金半接触－肖特基接触晶粒间界－多晶结构金属－氧化物－半导体－MOSFET第八章半导体表面与MIS结构8.2表面电场效应如图装置是MIS结构。(Metal-Insulator-Semiconductor)中间以绝缘层隔开的金属板和半导体衬底组成的，在金/半间加电压时即可产生表面电场。结构简单，影响因素多。（功函数、带电粒子，界面态等）金属绝缘层半导体欧姆接触第八章半导体表面与MIS结构现在理想情况假设MIS结构满足以下条件：（1）Ws=Wm；（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界面态。讨论理想MIS结构金/O/半间加电压产生垂直于表面的电场时，半导本表面层内的电势及电荷分布情况。金属绝缘层半导体欧姆接触第八章半导体表面与MIS结构8.2.1空间电荷层及表面势VG=0时，理想MIS结构的能带图MISEFmECEiEFsEVECIEVI金属绝缘层半导体欧姆接触第八章半导体表面与MIS结构VG0时，MIS++++----金属绝缘层半导体欧姆接触ECEVEFQmQsMIS结构实际是一个电容第八章半导体表面与MIS结构加电压后，金属和半导体两个面内要充电(Qm=-Qs)金属中，自由电子密度高，电荷分布在一个原子层的厚度范围之内半导体中，自由载流子密度低，对应Qs的电荷分布在一定厚度的表面层，这个带电的表面层叫空间电荷区第八章半导体表面与MIS结构VG0时，MIS结构的能带图,空间电荷区能带发生弯曲MIS++++----0dECEVEF0dqVS空间电荷区内：1)空间电场逐渐减弱2)电势随距离逐渐变化能带弯曲第八章半导体表面与MIS结构表面势(VS)：空间电荷区两端的电势差表面电势比内部高，VS0;表面电势低于内部，VS0电子能量增加空穴能量增加ECEVEF0dqVSQmVsQs能带弯曲++-↓--+↑第八章半导体表面与MIS结构随金属和半导体间所加电压VG（栅电压）的不同，空间电荷区内电荷分布可归纳为以下几种(以p型半导体为例)：堆积平带耗尽反型金属绝缘层半导体欧姆接触第八章半导体表面与MIS结构1．多数载流子堆积状态金属与半导体间加负电压（金属接负）时，表面势为负，表面处能带上弯，如图示。ECEVEFEiVG0MISE多子堆积第八章半导体表面与MIS结构热平衡下，费米能级应保持定值。随着向表面接近，价带顶逐渐移近甚至高过费米能级，价带中空穴浓度随之增加。表面层出现空穴堆积而带正电荷。越接近表面空穴浓度越高，堆积的空穴分布在最靠近表面的薄层内。ECEVEFEiVG0MIS第八章半导体表面与MIS结构MISEFmECEiEFsEVECIEVI2.平带状态VG=0半导体表面能带平直，无弯曲第八章半导体表面与MIS结构3．多子耗尽状态金/半间加正电压（金属接正）时，表面势Vs为正，表面处能带向下弯曲，如图示。VG0ECEVEiEF多子耗尽第八章半导体表面与MIS结构越近表面，费米能级离价带顶越远，价带中空穴浓度随之降低。表面处空穴浓度比体内低得多，表面层的负电荷基本上等于电离受主杂质浓度。表面层的这种状态称做耗尽。VG0ECEVEiEF多子耗尽第八章半导体表面与MIS结构4．少子反型状态金/半间的正电压进一步增大，表面处能带进一步向下弯曲。表面处EF超过Ei，费米能级离导带底比离价带顶更近。ECEVEiEF少子反型VG0第八章半导体表面与MIS结构表面处电子浓度将超过空穴浓度，形成与原来半导体衬底导电类型相反的层---反型层。ECEVEiEF少子反型VG0第八章半导体表面与MIS结构反型层发生在近表面，从反型层到半导体内部还夹着一层耗尽层。此时半导体空间电荷层内负电荷由两部分组成，一是耗尽层中已电离的受主负电荷，一是反型层中的电子，后者主要堆积在近表面区。ECEVEiEF少子反型VG0第八章半导体表面与MIS结构归纳：多子堆积VG=0平带状态ECEVEFEiVG0MISMISEFmECEiEFsEVECIEVIVG0ECEVEiEF多子耗尽ECEVEiEF少子反型VG0第八章半导体表面与MIS结构问题：金/O/n型半结构分析同学们可试试。第八章半导体表面与MIS结构8.2.2表面空间电荷层的电场、电势、电容通过解泊松方程定量地求出表面层中电场强度和电势的分布，以分析表面空间电荷层的性质。金属绝缘层半导体欧姆接触VG0ECEVEiEF多子耗尽第八章半导体表面与MIS结构空间电荷区的泊松方程假设：半导体表面是个无限大的面，其线度≧空间电荷层厚度一维近似，(ρ,E,V)不依赖y,z半导体厚度≧空间电荷层厚度半导体体内电中性半导体均匀掺杂非简并统计适用于空间电荷层不考虑量子效应第八章半导体表面与MIS结构1a)空间电荷层电场分布空间电荷层中电势满足的泊松方程为220()(815)rsdVxdxεrs半导体相对介电常数，(x)总空间电荷密度VG0ECEVEiEF多子耗尽第八章半导体表面与MIS结构表面层电势为V的x点（取半导体内电势为零），电子和空穴的浓度分别为()()(816)DAppxqnPpn000000(())exp[]exp()(817)exp()(818)CFpCpppEqVxEnNkTqVnkTqVppkTnp0:半导体体内平衡电子浓度Pp0:半导体体内平衡空穴浓度EC(x)=EC0-qV(x)VG0ECEVEiEF多子耗尽第八章半导体表面与MIS结构半导体内部，电中性条件成立(x)=0即00()(819)DAppnPnp()()DAppxqnPpnVG0ECEVEiEF多子耗尽第八章半导体表面与MIS结构将式（8-16）～（8-19）代入式（8-15），则得2002000[exp()1][exp()1](820)pprsdVqqVqVpndxkTkT　220()(815)rsdVxdx00()DAppnPnp()()DAppxqnPpn0000exp()(817)exp()(818)ppppqVnnkTqVppkT第八章半导体表面与MIS结构数学上做些处理两边乘以dV积分得：0000000()[exp()1][exp()1](821)dVVdxpprsdVdVqqVqVdpndVdxdxkTkT　2002000[exp()1][exp()1](820)pprsdVqqVqVpndxkTkT　从空间电荷层内边界积分到表面第八章半导体表面与MIS结构两边积分，电场强度|E|=-dV/dx，则得20022000000002||()()[exp()1][exp()1]2(822)pprspqpnkTqVqVqVqVEqkTkTkTpkTkT　0000000()[exp()1][exp()1]dVVdxpprsdVdVqqVqVdpndVdxdxkTkT　第八章半导体表面与MIS结构令LD：德拜长度1/2000000000(,)[exp()1][exp()1](824)ppppnnqVqVqVqVqVFkTpkTkTpkTkT　20022000000002||()()[exp()1][exp()1]2pprspqpnkTqVqVqVqVEqkTkTkTpkTkT　F函数00002||(,)(825)pDpnkTqVEFqLkTp则“+”：V0“-”:V0202001()(823)2p