第七章-金属和半导体的接触

第七章金属和半导体的接触Metal-SemiconductorContact1、金属与半导体形成的肖持基接触和欧姆接触，阻挡层与反阻挡层的形成；2、肖特基接触的电流—电压特性——扩散理论和热电子发射理论，即肖特基势垒的定量特性；（详细阐述）3、欧姆接触的特性。主要内容（三大点，约10课时）：2、MESFET(metal-semiconductorfield-effecttransistor)具有与MOSFET相似的电流－电压特性，但在器件的栅(gate)上电极部分利用金属－半导体的整流接触取代了MOSFET的MOS结构；用欧姆接触取代MOSFET的p-n结。§7.1金属-半导体接触和能级图一、概述：1、在微电子和光电子器件中，半导体材料和金属、半导体以及绝缘体的各种接触是普遍存在的，如MOS器件、肖特基二极管、气体传感器等。薄膜技术及纳米技术的发展，使得界面接触显得更加重要。3、第一个实际的半导体器件就是点接触整流性的金半接触，就是将细须状金属压在半导体表面。从1904年起，该器件有许多不同的应用。1938年，Schottky提出其整流作用，可能由半导体中稳定的空间电荷区所产生的电势能差引起的，由此所建立的模型称肖特基势垒（Schottkybarrier).4、两个要点：①功函数和禁带宽度的不同金属/半导体接触能带图的变化；②肖特基接触的整流特性即电流－电压I-V特性。二、金属和半导体的功函数Wm、Ws1、金属的功函数Wm表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。E0(EF)mWm0()mFmWEE即：E0为真空中静止电子的能量，又称为真空能级。金属铯Cs的功函数最低1.93eV，Pt最高为5.36eV2、半导体的功函数WsE0与费米能级之差称为半导体的功函数。0()sFsWEE即：用Χ表示从Ec到E0的能量间隔：0cEE称χ为电子的亲和能，它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需要的最小能量。Ec(EF)sEvE0χWsEn①N型半导体：scFnsWEEE式中：()ncFsEEE②P型半导体：()pFsvEEE()soFsgpWEEEE式中：Note:和金属不同的是，半导体的费米能级随杂质浓度变化，所以，Ws也和杂质浓度有关。Ec(EF)sEvE0χWsEn半导体金属半导体金属What?能带结构发生变化新的物理效应和应用3、金属/半导体接触三、金属与半导体的接触及接触电势差1.阻挡层接触金属n半导体mWFmEsWnEvEcEFsE0E设想有一块金属和一块n型半导体，并假定金属的功函数大于半导体的功函数，即：（1）msWW即半导体的费米能EFs高于金属的费米能EFm金属的传导电子的浓度很高，1022～1023cm-3半导体载流子的浓度比较低，1010～1019cm-3金属半导体接触前后能带图的变化：接触后，金属和半导体的费米能级应该在同一水平，半导体的导带电子必然要流向金属，而达到统一的费米能接触前，半导体的费米能级高于金属（相对于真空能级），所以半导体导带的电子有向金属流动的可能WmEFmWsE0EcEFsEv接触前接触后qVDEFEFEvEcmqxdE0在接触开始时，金属和半导体的间距大于原子的间距，在两类材料的表面形成电势差Vms。smmsmsWWVVVq‘接触电势差：紧密接触后，电荷的流动使得在半导体表面相当厚的一层形成正的空间电荷区。空间电荷区形成电场，其电场在界面处造成能带弯曲，使得半导体表面和内部存在电势差，即表面势Vs。接触电势差分降在空间电荷区和金属与半导体表面之间。但当忽略接触间隙时，电势主要降在空间电荷区。现在考虑忽略间隙中的电势差时的极限情形:半导体一边的势垒高度为：DsmsqVqVWW金属一边的势垒高度为：mnDnsnmsnmqqVEqVEWWEW半导体体内电场为零，在空间电荷区电场方向由内向外，半导体表面势Vs＜0mqEFEvqVDEcE电场在势垒区，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度比体内小得多，是一个高阻区域，称为阻挡层。界面处的势垒通常称为肖特基势垒。mqEFEvqVDEcE电场所以：金属与N型半导体接触时，若WmWs，即半导体的费米能级高于金属，电子向金属流动，稳定时系统费米能级统一，在半导体表面一层形成正的空间电荷区，能带向上弯曲，形成电子的表面势垒。金属与P型半导体接触时，若WmWs，即金属的费米能级比半导体的费米能级高，半导体的多子空穴流向金属，使得金属表面带正电，半导体表面带负电，半导体表面能带向下弯曲，形成空穴的表面势垒。（2）金属－p型半导体接触的阻挡层在半导体的势垒区，空间电荷主要由负的电离受主形成，其多子空穴浓度比体内小得多，也是一个高阻区域，形成空穴阻挡层。金属和p型半导体WmWs空穴阻挡层EFmEFsWsWmEvEcE0电场EEcEFEvxdqVd接触后对空穴讲，向下是能量增加，在P型半导体多子是空穴，半导体多子流向金属后，留下带负电的电离受主杂质，即空间电荷区，能带向下弯曲。半导体一边的势垒高度是：qVD=Ws-Wm（3）金属－半导体接触的阻挡层所谓阻挡层，在半导体的势垒区，形成的空间电荷区，它主要由正的电离施主杂质或负的电离受主形成，其多子电子或空穴浓度比体内小得多，是一个高阻区域，在这个区域能带向上或向下弯曲形成电子或空穴的阻挡。金属与N型半导体，WmWs金属与P型半导体,WmWs阻挡层2.反阻挡层接触金属与N型半导体接触时，若WmWs,电子将从金属流向半导体，在半导体表面形成负的空间电荷区，电场方向由表面指向体内，Vs0，能带向下弯曲。这里电子浓度比体内大得多，因而是一个高电导的区域，称之为反阻挡层，即电子反阻挡层。（1）金属与N型半导体接触WmEFmWsE0EcEFsEvEEcEFsEvmsDWWqVDx金属/n型半导体接触前后电子反阻挡层形成能带图的变化：在半导体表面，能带向下弯曲，相当有个电子的势阱,多子电子的浓度比体内大得多，是一个高通区，即电子的反阻挡层－高导通区。（很薄！）（2）金属与P型半导体接触金属与P型半导体接触时，若WmWs，空穴将从金属流向半导体表面，在半导体表面形成正的空间电荷区，电场方向由体内指向表面，Vs0，能带向上弯曲，这里空穴浓度比体内大得多，因而是一个高电导的区域，称之为反阻挡层，即空穴反阻挡层。WsWmEFsEFmEvEcE0接触后：xdEcEFEvEN型P型WmWs阻挡层反阻挡层WmWs反阻挡层阻挡层上述金半接触模型即为Schottky模型：Note:反阻挡层是很薄的高电导层，对半导体和金属的接触电阻的影响是很小的，它在平常的实验中观测不到。能带向上弯曲能带向下弯曲（高阻区）（高电导区）（高阻区）（高电导区）表面态就是局域在表面附近的新电子态。它的存在导致表面能级的产生。表面能级：与表面态相应的能级称为表面能级。由于晶体的不完整性使得势场的周期性受到破坏，在禁带中产生附加能级。理想晶体自由表面－达姆表面能级(1932年)晶体表面缺陷或吸附原子－附加表面能级四、表面态对接触势垒的影响半导体表面态金半接触势垒1、对于同一种半导体材料，亲和能χ将保持不变，如用不同的金属相连形成接触，根据公式：msmqW金属一边的势垒：（7－9）势垒高度应该随金属的不同而变化。但在实验的测量结果不能反映出该理论的预测的行为。金的功函数为4.8eV,铝的功函数是4.25eV,相差0.55eV。但在Au、Al和n-GaAs接触时，势垒高度相差0.15eV。显然0.55eV＞0.15eV！Why?实验表明，金半接触时的势垒高度受金属功函数的影响很小。这是由于半导体表面存在表面态造成的。通过实验分析，不同的金属功函数对半导体势垒高度影响不大，而半导体的表面态对接触势垒的作用很大，其影响在实际工作中不能忽视。施主型：能级被电子占据时呈电中性，放电后呈正电，（给予电子的能力）受主型：能级空着时为电中性，而接受电子后带负电。（得到电子的能力）表面态一般分施主型和受主型：①电子刚好填满EFS0以下的所有表面态时，则表面呈电中性,表面态局域电子的特性。当EFS0以下的表面态空着时，即没有被电子占据时，表面呈正电，为施主型；②EFS0上面表面态被电子占据时，半导体表面为负电，是受主型。一般表面态在表面禁带中有一定的分布，表面处存在距离价带顶为EFS＝qΦ0（禁带宽度的三分之一）的能级，根据表面态相对于EFS的分布，对表面态的电学行为有两种情况：设一个n型半导体的表面存在表面态。半导体的费米能级EF高于表面能级Efs，如果Efs以上存在受主表面态，则会导致如下效应：（接触前后）WmEFmE0WsEcEF0WlEFS0Ev表面能级为禁带宽度的三分之一表面能级示意图半导体体内与表面电子态交换电子，在EF和Efs之间的能级基本被电子填满，表面带负电，所以半导体表面附近会出现正电荷，形成正的空间电荷区，形成电子的势垒，即不和金属接触也形成电子势垒。如果表面态密度很大时，只要EF比EFs高一点，就会在表面积累很多的负电荷，能带向上弯曲，使得两者很接近。这时能带弯曲量qVD=EF0-EFs0，出现所谓高表面密度钉扎。1、金属半导体接触前：不存在表面态时，Ws=χ+En，存在表面态时，功函数要有相应的改变，加上qVD=EF0-EFs0的效应。能带弯曲量qVD=EF0-EFs0半导体的功函数则变为：l0Fs0FsnD1sWEEWEqVWWlqVDEFsWmEvnEEFEcE0Ec(0)2、金属与半导体接触后接触后，表面态提供电子流向金属，考虑到表面态的作用，半导体空间电荷区的正电荷等于表面受主态留下的负电荷和金属表面的负电荷的和。mqqVDEc(0)EFEvnEEFs0E0Ec所以，半导体表面态密度很高时，它可以屏蔽金属接触的影响，使得半导体内部的势垒高度和金属的功函数无关，基本上由半导体表面的性质决定，接触势差全部降落在两个表面之间，实际上，影响的程度由表面态密度不同而决定。在表面态密度大于1013cm-2，则表面处的费米能级位于禁带的1/3处（相对于价带顶），与表面态的密度无关，这个位置称为巴丁极限。下面讨论的内容，采用理想的模型，不考虑表面态的影响§.2金-半接触整流理论1、阻挡层的整流特性—外加电压对阻挡层（高阻层）的作用qVD=-q(Vs)0nsqxdE0EcEFEvE0EFsEcEvEFmWmWsχ金属/n半导体接触能带图金属与N型半导体接触时，若WmWs，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度比体内小得多，是一个高阻区域，称为电子阻挡层。0JJJsmms净电流在没有加电压的情况下，金半接触的系统处于平衡态的阻挡层是没有净电流：从金属流向半导体的电流和半导体流向金属的电流相抵消。所以，在没有外加电压时，半导体进入金属的电子流和从金属进入半导体的电子流相等，方向相反，构成动态平衡。在紧密接触的金半之间加上电压时，电流的行为会发生不同的响应。势垒高度为：由于阻挡层是个高电阻区域，外加电压主要降落在阻挡层上。同时，外加电压后，半导体和金属不再处于相互平衡的状态，两者没有统一的费米能级，两者的费米能级差就等于外加电压所引入的静电势能差。0()sqVV其中：是半导体的表面势，即半导体表面和内部的电势差，V是所加的外场电压。0()sV①加上正向电压在n型阻挡层(金属一边为正)时：nqnsqqVD/=q[VD-V]qVEFxd对于n型阻挡层，即金属和n型半导体在Wm＞Ws时，表面势为负的值，当在金属上加正向电压即V大于0，使得电子的势垒高度减低，多子电子从半导体流向金属的数目变多。smJmsJ电流为：进一步增加正向电压：VqVD1=q[VD-V]qVnsqxdnqEFmssmJJ正向电流变大势垒高度进一步减低，势垒宽度减薄，多子导电变强。对于n型阻挡层，即金属和n型半导体在Wm＞Ws时，表面势为