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1、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/Si Moll当时已经建议由MIS电
2、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
3、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
4、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)
5、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10101012cm-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MI
6、S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,VG0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,VG0时，MIS结构的能带图, 空间电荷区能带发生弯曲
7、,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，VS0;表面电势低于内部，VS0，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,ESQS,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，Vs0,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
8、. 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FqVs/(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np0pp0，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。 VS0，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
9、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(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
10、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Vs2VB (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=niexpqVB/(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qVsk0T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,
