半导体表面与mis结构.ppt

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,,MIS结构的等效电路,MIS结构示意图,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1962年， Moll的两位研究生发表的博士论文（An investigating of surface state at a silicon silicon dioxide interface employing metal-oxide-silicon diodes,Solid State Electronics,5(5),Lewis M. 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(Investigating of thermally oxidized silicon surface using metal-oxide-semiconductor structures, J. Appl. Phys. 33 (8), 1964) 1970年Smith在贝尔实验室发明CCD器件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,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,二、 理想表面 理想一维晶体表面态：薛定谔方程为,,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。

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-2,三、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）,3.界面 掺杂不同－Si pn(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,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）,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。

8.2.1 空间电荷层及表面势,VG=0时，理想MIS结构的能带图,VG>0时，,MIS结构实际是一个电容,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,VG>0时，MIS结构的能带图,空间电荷区能带发生弯曲,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,,表面势(VS)：空间电荷区两端的电势差 表面电势比内部高，VS>0; 表面电势低于内部，VS<0,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,,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E,多子堆积,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2 . 平带状态VG=0,半导体表面能带平直，无弯曲,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。

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归纳：,多子堆积,VG=0,平带状态,问题：金/O/n型半结构分析同学们可试试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,,,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,εrs半导体相对介电常数，(x)总空间电荷密度,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,,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),半导体内部，电中性条件成立 (x)=0即,,,将式（8-16）～（8-19）代入式（8-15），则得,,数学上做些处理两边乘以dV积分得：,从空间电荷层内边界积分到表面,两边积分，电场强度|E|=-dV/dx，则得,,,,令 LD：德拜长度,F函数,求电场 表面处，V=Vs，可得半导体表面处的电场强度,,,E,表面势为正，能带下弯电场指向半导体内部为正方向,1b）表面电荷分布？根据高斯定理： Qs=-εrsε0Es负号与规定有关（规定电场强度指向半导体内部时为正）。

Es代入上式，则得,金属电极为正，Vs>0，Qs负号；反之Qs正号1c）表面电容分布上式给出单位面积上的电容，单位为F/m2多子堆积平带多子耗尽少子反型,,,进行相应近似,,ES QS,,CS,四种基本状态的电场、电势和电容,应用上面公式分析表面层的状态1. 多子堆积－ p型VG0,,,将上式代入式（8-25），式（8-27）和式（8-31）中，则,表面电荷随表面势的绝对值∣Vs∣增大按指数增长表面势越负，能带在表面处向上弯曲得越厉害时，表面层的空穴浓度急剧地增长2. 平带状态VG=0时，表面势Vs=0,表面处能带不发生弯曲，称做平带状态此时F[qVs/(k0T),np0/pp0]=0∴Es=0，Qs=0,Vs 0时 代入式（8-31），化简后得,,,平带状态时， Vs趋于0，则这时的电容为再考虑到p型半导体中np0《pp0，最后得计算MOS结构的平带电容时，要利用这一结果3.耗尽状态VG为正：大小不足使表面处禁带中央能量Ei弯曲到费米能级以下，表面未反型，空间电荷区处于耗尽VS>0，有,,将上式代入式（8-26）及式（8-27），得,表面电场强度和表面电荷数正比于（Vs）1/2 。

Es为正值，说明表面电场方向与x轴正向一致；Qs为负值，表空间电荷是电离受主杂质形式的 负电荷耗尽时表面空间电荷区的电容可从式（8-31）求得为将式（8-23）的LD代入上式，电离饱和时Pp0=NA，则得,“耗尽层近似”处理设空间电荷层的空穴全部耗尽，电荷全由已电离的受主杂质构成若半导体掺杂均匀，则ρ(x)=-qNA，泊松方程为,Xd：耗尽层宽度，半导体内部电场强度及电势为零， 边界条件：,积分,,代入（8-41），得表明Cs相当距离为xd的平板电容器的单位面积电容表面处x=0，则得表面电势,从耗尽层近似很易得出半导体空间电荷层中单位面积的电量为Qs =-qNAxd （8-45） 与由式（8-39）中代入LD值所得结果相同4. 反型状态 外加正电压VG增大，表面处禁带中央能值 Ei可降到EF下，出现反型层 以表面处少子浓度ns是否超过体内多子浓 度pp0为标志表面处少子浓度为表面处少子浓度ns=pp0时，上式化为,另据玻耳兹曼统计得,,qVB=Ei-EF,得强反型的条件 Vs≥2VB (8-47),发生强反型的临界条件：Vs=2VB 图表示这时表面层的能带弯曲。

以pp0=NA代入式（8-46），得则强反型条件可写为,从上式知，衬底杂质浓度越高，Vs越大，越不易达强反型∴,,开启电压： 对应于表面势Vs=2VB时金属板上加的电压称做开启电压，以VT表示之即当Vs =2VB，,∵np0=niexp[-qVB/(k0T)]，pp0=niexp[qVB/(k0T)]∴np0/pp0=exp[-2qVB/(k0T)]临界强反型Vs=2VB，因而np0/pp0=exp[-qVs/(k0T)]F函数为：,,,计算ES, QS, CS,当qVs》k0T时，exp[-qVs/(k0T)]《1，F函数为代入式（8-26）及（8-27），得到临界强反型时的,,弱反型，耗尽层近似依然适用,,,强反型后，Vs》2VB，且qVs》k0T,将上式代入式（8-26）及（8-27），则,,,强反型|Qs|随Vs按指数规律增大,,强反型表面空间电荷层的电容为,上式表明Cs随表面电子浓度的增加而增大出现强反型后，外加电场被反型层中积累的电子 所屏蔽，表面耗尽层宽度就达到一个极大值xdm， xdm由半导体材料的性质和掺杂浓度来确定1)材料一定，NA↑, xdm↓ 2)Eg↑，ni↓, xdm↑,表面反型层举例：,,在出现强反型后，半导体面积上的电荷量 Qs是两部分组成的:电离受主的负电荷QA=-qNAxdm反型层中的积累电子,,小结,,5.深耗尽状态 以上讨论假设金属与半导体间所加的电压VG不变空间电荷层的平衡状态，或变化速率很慢以至表面空间电荷层中载流子浓度能跟上偏压VG变化的状态。

实际上尚存在深耗尽的非平衡状态p型为例，金/半间加一脉冲阶跃电压或高频正弦波形成的正电压时，由于空间电荷层内的少子的产生速率赶不上电压的变化，反型层来不及建立，只有靠耗尽层延伸向半导体内深处而产生大量受主负电荷以满足电中性条件在脉冲式外电场的作用下，即使达到了 ，但是由于少数载流子的产生需要一定的时间，也不会立即出现反型层，而仍保持为耗尽的状态（此时的耗尽厚度比最大耗尽层厚度还要大）多数载流子完全被耗尽，应该出现，但是一时不出现反型层的一种半导体表面状态。