半导体物理 第8章 半导体表面和MIS结构

第8章半导体表面和MIS结构本章重点：表面态概念表面电场效应MIS结构电容-电压特性硅-二氧化硅系统性质8.1表面态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晶体表面。在半导体表面，晶格不完整性使势场的周期性被破坏，在禁带中形成局部状态的能级分布（产生附加能级），这些状态称为表面态或达姆能级。清洁表面的表面态所引起的表面能级，彼此靠得很近，形成准连续的能带，分布在禁带内。从化学键的角度，以硅晶体为例，因晶格在表面处突然终止，在表面最外层的每个硅原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键，这个键称为悬挂键，与之对应的电子能态就是表面态。实际表面由于薄氧化层的存在，使硅表面的悬挂键大部分被二氧化硅层的氧原子所饱和，表面态密度大大降低。此外表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态；这种表面态的数值与表面经过的处理方法有关。由表面态（表面能级）的性质和费米能级的位置，它们可能成为施主或受主能级，或者成为电子－空穴对的复合中心。半导体表面态为施主态时，向导带提供电子后变成正电荷，表面带正电；若表面态为受主态，表面带负电。表面附近可动电荷会重新分布，形成空间电荷区和表面势，而使表面层中的能带发生变化。8.2表面电场效应8.2.1空间电荷层及表面势表面态接触电势差外加电场...321表面空间电荷区的形成：外加电场作用于半导体表面8.2表面电场效应8.2.1空间电荷层及表面势电场电势电子势能表面能带8.2表面电场效应8.2.1空间电荷层及表面势表面势：空间电荷层两端的电势差为表面势，以Vs表示之，规定表面电势比内部高时，Vs取正值；反之Vs取负值。三种情况：多子堆积、多子耗尽和少子反型。8.2.2表面空间电荷层的电场、电势和电容规定x轴垂直于表面指向半导体内部，表面处为x轴原点。采用一维近似处理方法。空间电荷层中电势满足泊松方程022)(rsxdxVd其中设半导体表面层仍可以使用经典分布，则在电势为V的x点（半导体内部电势为0），电子和空穴的浓度分别为)()(ppADnppnqx00exp()ppqVxnnkT00exp()ppqVxppkT在半导体内部，电中性条件成立，故即带入可得0)(x00ppADpnpn]}1)[exp(]1)[exp({0000022TkqVnTkqVpqdxVdpprs上式两边乘以dV并积分，得到将上式两边积分，并根据dVTkqVnTkqVpqdxdVddxdVVpprsdxdV0000000]}1)[exp(]1)[exp({)(dxdVE||得令]}1)[exp(]1)]{[exp(2[)2(0000000002202TkqVTkqVpnTkqVTkqVTkpqqTkEpprsp210002)2(TkpqLrspD21000000000]}1)[exp(]1){[exp(),(TkqVTkqVpnTkqVTkqVpnTkqVFpppp分别称为德拜长度，F函数。则式中当V大于0时，取“+”号；小于0时，取“-”号。),(20000ppDpnTkqVFqLTkE在表面处V=Vs，半导体表面处电场强度根据高斯定理，表面电荷面密度Qs与表面处的电场强度有如下关系),(20000ppsDspnTkqVFqLTkE，srssEQ0带入可得当金属电极为正，即Vs0，Qs用负号；反之Qs用正号。),(200000ppsDrsspnTkqVFqLTkQ在单位表面积的表面层中空穴的改变量为因为00000]1)[exp()(dxTkqVpdxpppppp||EdVdx考虑到x=0，V=Vs和x=∞，V=0，则得同理可得0000000),(1)exp(2sVppDPdVpnTkqVFTkqVTkLqpp0000000),(1)exp(2sVppDPdVpnTkqVFTkqVTkLqpn微分电容单位F/m2。),(]}1)[exp(]1)exp({[00000000ppsppsDrsssspnTkqVFTkqVpnTkqVLVQC8.2.3各种表面层状态（1）多数载流子堆积状态（积累层）cEiEfsEvEfME（1）积累层（VG＜0）（Vs0）VG0时，电场由体内指向表面，能带向上弯曲，形成空穴势阱，多子空穴被吸引至表面附近，因而表面空穴浓度高于体内，形成多子积累，成为积累层。表面微分电容00exp2rsssDqVCLkT8.2.3各种表面层状态（2）平带状态cEiEfsEvEfME（2）平带（VG=0）VG=0时，能带无弯曲，无空间电荷区。平带电容为02rsFBSDCL8.2.3各种表面层状态（3）耗尽状态（耗尽层）0rssdCxcEiEfsEvEfME（3）耗尽层（VG＞0）VG0时，表面处空穴被排斥走，当空穴势垒足够高时，表面层价带空穴极为稀少，可认为该层多子空穴被耗尽，称为耗尽层。表面微分电容为采用耗尽近似202AdsrsqNxV1/202ArsssNqCV8.2.3各种表面层状态（4）少数载流子反型状态（反型层，VG＞0）①开始出现反型层的条件：cE0iEfEvEseV00()()1iisiFfEEqVxVEEq所以，FiEE表面势＝费米势时反型层的条件：fsV8.2.3各种表面层状态②强反型层出现的条件：Ｐ型衬底表面处的电子密度等于体内的空穴浓度时。cE0iEfEvEfEisEsfiiisfisnpkTEEnpkTEEnn000expexp00002122fisiffiisfisissiisfsfEEEEqEEqEEqVVEEVq由，所以，即：强反型层条件：022lnAsfikTNVqn8.2.3各种表面层状态金属与半导体间加负压，多子堆积金属与半导体间加不太高的正压，多子耗尽金属与半导体间加高正压，少子反型p型半导体8.2.3各种表面层状态n型半导体金属与半导体间加正压，多子堆积金属与半导体间加不太高的负压，多子耗尽金属与半导体间加高负压，少子反型§8.3MIS结构的电容-电压特性MIS结构的微分电容理想MIS结构的低频C-V特性理想MIS结构的高频C-V特性实际MIS结构的C-V特性8.3.1MIS结构的微分电容栅压——VG=VO+VS当不考虑表面态电荷,半导体的总电荷面密度——QS=-QGMIS结构的微分电容——CdQG/dVG1GOSGGGdVdVdVCdQdQdQ定义氧化层电容——空间电荷区电容——则有0GroOOodQCdVdSSSdQCdV111OSCCC11OOSCCCC8.3.2理想MIS结构的低频C-V特性理想MIS结构:金属的功函数与半导体相同（Vms=0）氧化层中没有电荷存在（Qo=0）半导体－氧化物没有界面态（Qss=0）GViMSIMIS结构的微分电容公式:11OOSCCCC①VG0VS0表面积累,CS很大,(C/Co)→1,MIS结构的电容呈现为Co0011exp2OODsrsCCCLqVkT②VG=0,VS=0平带状态，归一化平带电容1/200220011FBOrorsrsACCkTqNd③VG0,0VS2VB表面耗尽120121OrorosrsoACCVdNq④VGVT,VS2VB表面强反型,CS很大,(C/Co)→1阈值电压(开启电压)[半导体表面刚达到强反型时所加的栅压]归一化电容2mTOSBOXQVVVVCmAmQqNd1/2000011expOproDsrspCCnLqVdpkT8.3.3理想MIS结构的高频C-V特性♦表面积累,表面耗尽,高低频特性一样♦VGVT，VS2VB,表面强反型高频时,反型层中电子的增减跟不上频率的变化,空间电荷区电容呈现的是耗尽层电容最小值0rsdMMCd♦MIS结构的电容也呈现最小值——不再随偏压VG呈现显著变化min1111OroMOdMrsOXCCdCCd深耗尽状态当偏压VG的变化十分迅速,且其正向幅度大于VT,则:即使表面势VS2VB,反型层也来不及建立,耗尽层宽度随偏压幅度的增大而增大--深耗尽状态当表面处于深耗尽--随VG增加,d增加(dM),MOS结构的电容不再呈现为最小值.11roOrsOCdCd8.3.4实际MIS结构的C-V特性(1)功函数差异的影响平带电压——为了恢复半导体表面平带状态需要加的电压.考虑功函数差异的影响:VFB=-Vms(2)绝缘层中电荷的影响当绝缘层处有一薄层电荷,其面电荷密度为()Qxx0FBrsOOXxQQxVCd当绝缘层中有分布电荷则有:其中,氧化层中总有效电荷面密度OXFBOXQVCOX0()QOXdOXxxdxdC-V特性的应用求氧化层厚度dOX:COX→dOX求半导体掺杂浓度NA(ND):[C’min+dOX]→NA(ND)计算,或图8-12求氧化层中总有效电荷面密度QOX:[dOX+NA]→CFBVFB→QOX8.4Si-SiO2系统的性质1.二氧化硅中的可动离子2.二氧化硅中的固定表面电荷3.在硅–二氧化硅界面处的快界面态4.二氧化硅中的陷阱电荷8.4.1二氧化硅中的可动离子二氧化硅中的可动离子有Na、K、H等，其中最主要而对器件稳定性影响最大的是Na离子。来源：使用的试剂、玻璃器皿、高温器材以及人体沾污等为什么SiO2层中容易玷污这些正离子而且易于在其中迁移呢？二氧化硅结构的基本单元是一个由硅氧原子组成的四面体，Na离子存在于四面体之间，使二氧化硅呈现多孔性，从而导致Na离子易于在二氧化硅中迁移或扩散。由于Na的扩散系数远远大于其它杂质。根据爱因斯坦关系，扩散系数跟迁移率成正比，故Na离子在二氧化硅中的迁移率也特别大。温度达到100摄氏度以上时，Na离子在电场作用下以较大的迁移率发生迁移运动。作偏压–温度实验，可以测量二氧化硅中单位面积上的Na离子电荷量：单位面积钠离子电荷数：NaoFBQCVNaNaQNq可动钠离子对器件的稳定性影响最大（1）漏电增加，击穿性能变坏（2）平带电压增加如何解决钠离子玷污的问题（1）把好清洁关（2）磷蒸汽处理8.4.2二氧化硅中的固定表面电荷二氧化硅层中固定电荷有如下特征电荷面密度是固定的这些电荷位于Si-SiO2界面200Å范围以内固定表面电荷面密度的数值不明显地受氧化层厚度或硅中杂质类型以及浓度的影响固定电荷面密度与氧化和退火条件，以及硅晶体的取向有很显著的关系过剩硅离子是固定正电荷的来源这些电荷出现在Si-SiO2界面200Å范围以内，这个区域是SiO2与硅结合的地方，极易出现SiO2层中的缺陷及氧化不充分而缺氧，产生过剩的硅离子实验证明，若在硅晶体取向分别为[111]、[110]和[100]三个方向生长SiO2时，他们的硅–二氧化硅结构中的固定表面电荷密度之比约为3:2:1。将氧离子注入Si-SiO2系统界面处，在450度进行处理，发现固定表面电荷密度有所下降将MOS结构加上负栅偏压进行热处理实验发现，当温度高出钠离子漂移温度（127度）时，这些固定的表面电荷密度有所增加。平带电压0fcFBQVC单位表面积的固定正电荷数目fcfcQNq8.4.3在Si-SiO2界面处的快界面态Si-SiO2系统中位于两者界面处的界面态就是