7[1].金属和半导体的接触

固体电子学基础II姜胜林华中科技大学电子系教授，博士生导师西七楼309室，Tel:[phone]Email:[e-mail]2007年1半导体中的电子状态3载流子输运4非平衡载流子5p－n结6半导体表面与MIS结构7金属和半导体的接触9半导体的热电性质8异质结2半导体中载流子的统计分布40学时本章内容提要金半接触及其能级图整流特性少子注入和欧姆接触7金属和半导体的接触相关研究：博士论文：Ni电极硕士论文：溅金属电极毕业设计：无铅玻璃粉新方向：耐特殊环境电极、SMD技术商业：欧姆电极、表面电极（优乐公司等）金属—半导体接触整流接触：微波技术和高速集成电路欧姆接触：电极制作成为界面物理重要内容半导体器件重要部分能级图整流特征欧姆接触7.1金属半导体接触及其能级图1.金属与半导体的功函数功函数：金属中的电子从金属中逸出，需由外界供给它足够的能量，这个能量的最低值被称为功函数。金属功函数Wm=E0-(EF)m金属中的电子势阱半导体的功函数和电子亲和能E0为真空电子能级半导体功函数Ws=E0-(EF)s电子亲和能χ=E0-EcWs=χ+[Ec-(EF)s]=χ+EnEn=Ec-(EF)s2.接触电势差（肖特基模型）金属和n型半导体接触能带图（WmWs）（a）接触前；（b）间隙很大；（c）紧密接触；（d）忽略间隙半导体电势提高金属电势降低平衡态，费米能级相等qWWVVVms'smms)b(接触电势差金半间距D远大于原子间距时D正负电荷密度增加sVqWWVmsms)c(接触电势差D与原子间距相比很小接触电势差ms)d(VmnsmnsnDnssmsD)(WEWWEqVEqVqWWqVqV半导体空间电荷区形成（why），表面势，能带弯曲（理想）肖特基势垒高度小结：（1）金属与n型半导体接触WmWs，电子由半导体进入金属，在半导体表面形成电子势垒（阻挡层）WsWm，电子由金属进入半导体，Vs0，能带下降，表面是电子势阱，形成电导层（反阻挡层）金属和n型半导体接触能带图（WmWs）（2）金属与p型半导体接触WmWs，能带上升，空穴势阱，半导体表面是高电导压，为p型反阻挡层WmWs，能带下降，形成空穴势垒，为p型阻挡层优缺点：①很好地解释离子性半导体与金属接触时所形成的势垒的物理本质；②不能解释不同金属（Wm不一样）与同一种半导体接触（χ一定）时Φm与Wm的差别；③肖特基模型不是形成势垒的唯一机理。金属和p型半导体接触能带图(WmWs)(WmWs)3.表面态对接触势垒的影响（巴丁模型）mnsmnsnDnssmsD)(WEWWEqVEqVqWWqVqV半导体问题的提出：不同金属与同一半导体接触金属功函数相差很大，而势垒高度相差很小理论上实际中金属一边的势垒高度应随金属功函数而变化金属与半导体接触是不同物质之间的紧密接触界面半导体固有表面态势垒或势阱高度与有关)(,sFFEE半导体表面态密度足够高，平衡时半导体费米能级被锁定在)(sFE巴丁模型半导体表面处的禁带中表面态表面能级施主和受主型表面态一般而言表面态在表面禁带中形成一定的分布，存在距离价带顶为qΦ0的能级，电子正好填满qΦ0以下的所有表面态时表面呈电中性qΦ0以下空时：表面带正电，施主型qΦ0以上被电子填充时：什么状态！！思考：n型半导体存在表面态，半导体的费米能级EF高于qΦ0平衡时的能带图形如何？若存在受主表面态：表面带负电（电子填满）存在受主表面态时n型半导体的能带图半导体表面附近：正的空间电荷区，电子势垒表面态上的负电荷＝势垒区正电荷表面态密度很大高一点比只要0qEF就会积累很多负电荷能带上弯n0gDEqEqV势垒高度被高表面态密度钉扎（Pinned）表面态密度很大表面处EF很接近qΦ0存在受主表面态时n型半导体的能带图nDsEqVW?sWnsWE不存在表面态时几乎与施主浓度无关0gsqEW存在高表面态密度时通过表面态发生作用金属费米能级半导体的费米能级空间电荷区正电荷为表面受主态留下的负电荷与金属表面负电荷之和表面受主态密度很高的n型半导体与金属接触能带图（WmWs）（a）接触前；（b）紧密接触；（c）极限情形金属和n型半导体接触能带图（WmWs）（a）接触前；（b）间隙很大；（c）紧密接触；（d）忽略间隙区别说明：半导体的表面态密度很高时，可以屏蔽金属接触的影响，使得半导体内的势垒高度和金属的功函数几乎无关，而基本上由半导体的表面性质决定，接触电势差全部降落在两个表面之间。为什么说当金属的功函数小于半导体的功函数时（WmWs），也可以形成n型阻挡层？问题：表面态对功函数和接触势垒的影响7.2金属半导体接触整流特性（n型阻挡层）外加电压对n型阻挡层的影响(a)V=0；(b)V0；(c)V0(WmWs)，(Vs)00（表面势）(a)平衡时，净电流为零(b)半导体势垒由qVD=－q(Vs)0降低为－q[(Vs)0+V]，形成正向电流(c)金属势垒高（恒定），电流很小，随V的增加达到饱和，形成反向电流金属和n型半导体接触能带图金属和n型半导体接触反阻挡层p型阻挡层：金属接负，半导体接正时形成从半导体到金属的空穴流（正向电流）金属接正、半导体接负时形成反向电流与p-n结区别，正向永远是p正、n负，电流从p流向n区金属与半导体接触，正向的判定要看是哪种阻挡层且正向电流都是相应于多子由半导体到金属的运动所形成的电流(a)p型阻挡层（WmWs）(b)p型反阻挡层（WmWs）金属和p型半导体接触能带图理论推导，金属－半导体整流接触的伏安特性与p-n结相似空间电荷层厚度碰撞几率势垒宽度比载流子自由程小得多，无碰撞、越过势垒势垒高度起决定作用Bethe热电子发射理论（阻挡层很薄）势垒宽度比载流子自由程大得多，多次碰撞，势垒形状重要1exp0sDTkqVJJ1exp0sTTkqVJJTkqVVVqNJ0D2/1D0rDsDexp2TkqTAJ0ns2*sTexp与温度有关与V有关与p-n结有别Schottky扩散理论（阻挡层厚）p-n结电流电压方程（利用连续性方程）1exp0sTkqVJJ肖克莱方程式ppnnnps00LDpLDnqJp区电子扩散长度p区电子扩散系数正向：反向：TkqVJJ0sexp1exp0TkqV(k0T/q)≈0.026V0)exp(Vq,000TkqVTkV时，当sJJ理想p-n结的J-V曲线(1)p-n结具有单向导带性(2)温度对电流密度的影响很大反向饱和Dn、Ln、np0较高迁移率，较大的平均自由程（Ge、Si、GaAs），电流输运机构以多子热发射为主迁移率较小，平均自由程较短（Cu2O），电流输运机构以扩散为主理想p-n结的J-V曲线金属半导体接触伏安特性特点：①肖特基势垒二极管（SBD）是多子器件，不发生电荷存储现象，可应用于高频。②相同势垒高度下，SBD的JsD（或JsT）比p-n结的Js大得多，具有较低的正向导通电压（0.3V左右），作为高速TTL电路的箝位晶体管。7.3少数载流子的注入和欧姆接触1.少数载流子的注入（n型阻挡层）TkqVppTkqVnn0D00D0exp)0(exp)0(平衡界面处的载流子浓度：正向电压（金属为正），势垒降低电子、空穴扩散占优，如何运动的共同形成正向电流正向电压，空穴积累部分正向电流是由少数载流子空穴提供的（如何说明？）平衡时浓度差被势垒中的电场抵消少数载流子的积累TkqVnn0D0exp)0(与体内浓度差电子由内部向接触面扩散平衡时被势垒电场抵消（为什么？）加正向电压势垒降低扩散占优，电子向表面流动，形成正向电流TkqVpp0D0exp)0(与体内浓度差空穴由表面向内部扩散平衡时被势垒电场抵消（为什么？）加正向电压势垒降低扩散占优，自外向内的空穴流，形成正向电流空穴电流p(0)可以等于n0，空穴势垒顶在阻挡层的内边界积累的空穴对空穴流的阻碍施加正向电压空穴从金属流向半导体内不立即复合少数载流子注入（接触球面半径有关，用探针接触可以得到高效率的注入）阻挡层内界积累扩散进入内部扩散效率（半导体内）：空穴浓度（阻挡层）：采用重掺杂利用隧道效应欧姆接触实际：Al，Ag-Zn，考虑到BaTiO3的特殊性表面处理以后耐冲击性能提高2.欧姆接触（超高频和大功率）WmWs：金属和n型半导体接触形成反阻挡层WmWs：金属和p型半导体接触形成反阻挡层﹖欧姆接触欧姆接触：接触电阻很小，具有线性的和对称的电流-电压关系高表面态密度不能用选择金属的方法获得欧姆接触形成势垒与金属功函数关系不大如何解决？