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1、第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构1 1、 清洁清洁SiSi表面的获得表面的获得 在在1010-8-81010-9-9PaPa的超高真空状况下机械解的超高真空状况下机械解理获得理获得SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi1 1 表面态表面态In this image of a silicon surface, captured using a scanning tunneling microscope, patterns are visible at the atomic scale. Bright spots are individual ato
2、ms. 实际表面实际表面 (Si-SiO2)SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiOO2 2、表面能级、表面态、表面态密度、表面能级、表面态、表面态密度 （1）表面能级（达姆能级）ECEVx0（2）表面态0V0V(x)ax聚集电子特性表面态密度=悬挂键密度E（3 3 3 3）施主表面态、受主表面态）施主表面态、受主表面态）施主表面态、受主表面态）施主表面态、受主表面态表面态表面态-表面引起的附加电子状态表面引起的附加电子状态( (表面周期势场的中断表面周期势场的中断, , 表面杂质表面杂质, ,表面缺表面缺陷陷) )施主表面态施主表面态施主表面态施主表面态 悬挂键上有电子
3、悬挂键上有电子悬挂键上有电子悬挂键上有电子中性中性中性中性 施放电子后呈正电性施放电子后呈正电性施放电子后呈正电性施放电子后呈正电性受主表面态受主表面态受主表面态受主表面态 悬挂键上无电子悬挂键上无电子悬挂键上无电子悬挂键上无电子中性中性中性中性 得到电子后呈负电性得到电子后呈负电性得到电子后呈负电性得到电子后呈负电性受主施主2 2 表面电场效应表面电场效应1 1、空间电荷区和表面势、空间电荷区和表面势采用采用MOSMOS结构来研究表面电场效应结构来研究表面电场效应 理想情况理想情况 金属半导体功函数差为零金属半导体功函数差为零 绝缘层不导电无电荷绝缘层不导电无电荷 界面上无界面态界面上无界面
4、态 p-SiSiO2AlVG以以p p型型SiSi为例，讨论表面电场效应为例，讨论表面电场效应 V VG G=0 =0 平带状态平带状态E Ec c(E(EF F) )s sE Ev vE0W Ws sW Wm m( (E EF F) )m m V VG G0 0 0 E Ec cE Ev v(E(EF F) )s sW Wm mE Ei i多子耗尽多子耗尽V VG G00，并进一步增大，并进一步增大E Ec cE Ev v(E(EF F) )s sW Wm mE Ei i反型层反型层2 2、表面电荷区的电场、电荷和电容与、表面电荷区的电场、电荷和电容与V Vs s的关系的关系假设：假设：半导
5、体表面为一平面，且表面半导体表面为一平面，且表面线度远大于空间电荷层厚度。线度远大于空间电荷层厚度。半导体厚度比空间电荷层厚度半导体厚度比空间电荷层厚度大得多。大得多。半导体均匀掺杂，表面空间半导体均匀掺杂，表面空间电荷层中电离杂质浓度相等。电荷层中电离杂质浓度相等。表面层均匀，电荷密度、电场、电势层表面方表面层均匀，电荷密度、电场、电势层表面方向不变。向不变。表面空间电荷层中的载流子为非简并。表面空间电荷层中的载流子为非简并。p-SiVG0x由一维泊松方程建立电荷密度和电势由一维泊松方程建立电荷密度和电势由一维泊松方程建立电荷密度和电势由一维泊松方程建立电荷密度和电势的关系的关系的关系的关系
6、利用利用 E=-E=-dV/dxdV/dx，方程两边同乘，方程两边同乘dVdV, ,积分得到积分得到: :V=VV=Vs s， 得得E Es s表面处电场强度表面处电场强度Vs：表面势半导体表面和内部之间的电势差由高斯定理由高斯定理, ,则表面电荷面密度则表面电荷面密度: : V VG G0,V0,VS S00V VG G0,V0,VS S0,Qs0,Qs0表面电容表面电容? ?F/mF/m2 2p-Si- -V VGG+ +应用以上公式讨论具体情况应用以上公式讨论具体情况a)a)a)a)多数载流子堆积状态多数载流子堆积状态多数载流子堆积状态多数载流子堆积状态 p p p p型型型型SiSiS
7、iSi，V V V VG G G G0000p-Si- -V VGG+ +V V s s 00V0V0对于足够大的对于足够大的对于足够大的对于足够大的|V |V |V |V | 、|V |V |V |V s s s s | | | |exp(-qV/kexp(-qV/kexp(-qV/kexp(-qV/k0 0 0 0T) T) T) T) exp(qV/kexp(qV/kexp(qV/kexp(qV/k0 0 0 0T)T)T)T)p p p p型半导体型半导体型半导体型半导体n n n np0p0p0p0ppp0000p-SiV VGGV V s s 00V(xV(x)0)0E Ec cE
8、 Ev v(E(EF F) )s sW Wm mE Ei ix xd dd dd)d)反型状态反型状态(V(VG G0)0) 临界反型临界反型 弱反型弱反型 强反型强反型表面处少子的浓度表面处少子的浓度= =体内多数载流子的浓度体内多数载流子的浓度表面处少子的浓度少于体内多数载流子的浓度表面处少子的浓度少于体内多数载流子的浓度表面处少子的浓度多于体内多数载流子的浓度表面处少子的浓度多于体内多数载流子的浓度临界反型条件临界反型条件临界反型条件临界反型条件: : : :E Ec cE Ev v(E(EF F) )s sW Wm mE Ei iqVBqVBp-SinnVG场氧化层栅氧化层开启电压开启
9、电压掺杂浓度、氧化掺杂浓度、氧化层厚度有关。层厚度有关。3 MOS3 MOS结构的电容结构的电容- -电压特性电压特性(C-V(C-V特性特性) )V V V VG G G G分为两部分：分为两部分：分为两部分：分为两部分：绝缘区绝缘区绝缘区绝缘区 V V V V0 0 0 0、表面势、表面势、表面势、表面势V V V Vs s s sp-SiV VGGSiOSiO2 2厚度为厚度为d d0 0，其中的电场均匀，其中的电场均匀E E0 0 C C0 0加一小加一小交变信号交变信号电荷随电压的改变就表现为电容特性电荷随电压的改变就表现为电容特性电容器串联后，总电容量必小于串电容器串联后，总电容量
10、必小于串 联组合中任一单独电容器之电容量。联组合中任一单独电容器之电容量。归一化的电容电压曲线1、多子堆积状态VG Q(111) Qfcfc(110) Q(110) Qfcfc(100)(100)退火后，退火后， Q Qfcfc减小减小-硅和二氧化硅界面上的过剩硅离子是固定硅和二氧化硅界面上的过剩硅离子是固定表面电荷产生的主要原因。表面电荷产生的主要原因。（2 2）可动离子）可动离子钠离子钠离子、钾离子、氢、钾离子、氢 化学试剂、玻璃器皿、高温器材、人体玷化学试剂、玻璃器皿、高温器材、人体玷污污 电子纯电子纯 石英材质石英材质 清洁工艺、钝化层（磷硅玻璃、氮化硅、清洁工艺、钝化层（磷硅玻璃、氮
11、化硅、氧化铝）氧化铝）（3 3）界面态电荷）界面态电荷 本征界面态本征界面态 由不饱和悬挂键形成的界面态由不饱和悬挂键形成的界面态 非本征界面态非本征界面态 由机械损伤、晶格缺陷、硅氧断裂键、杂由机械损伤、晶格缺陷、硅氧断裂键、杂质等因素形成的界面态。质等因素形成的界面态。界面态上载流子的分布界面态上载流子的分布界面态上载流子的分布界面态上载流子的分布电子占据界面态分布函数电子占据界面态分布函数电子占据界面态分布函数电子占据界面态分布函数 若界面态具有同一个能量值若界面态具有同一个能量值若界面态具有同一个能量值若界面态具有同一个能量值E E E EsDsDsDsD，界面态密度，界面态密度，界面
12、态密度，界面态密度NsNsNsNs，则施主，则施主，则施主，则施主界面态上的电子数界面态上的电子数界面态上的电子数界面态上的电子数 若界面态能量分布在若界面态能量分布在若界面态能量分布在若界面态能量分布在E E E EsDsDsDsD E E E EsDsDsDsD，范围内：界面态上的电子范围内：界面态上的电子范围内：界面态上的电子范围内：界面态上的电子数目为数目为数目为数目为N N N Nssssssss(E(E(E(E) ) ) )，则在能量，则在能量，则在能量，则在能量E E E E处，处，处，处，dEdEdEdE能量间隔内单位面积界面能量间隔内单位面积界面能量间隔内单位面积界面能量间隔
13、内单位面积界面态上的电子数为态上的电子数为态上的电子数为态上的电子数为 界面态上的电子数目界面态上的电子数目界面态上的电子数目界面态上的电子数目界面态在禁带中的分布界面态在禁带中的分布EcEv界界面面态态密密度度受主施主非本征界面态早期研究进一步研究显示为U形（1 1 1 1）金属）金属）金属）金属- - - -半导体功函数差半导体功函数差半导体功函数差半导体功函数差接触电势差接触电势差接触电势差接触电势差WsWmWsWmWsWmWsWmV V V Vmsmsmsms0000WsWmWsWmWsWmWsWmV V V Vmsmsmsms000Wm Si-Al WsWm Si-Al WsWm S
14、i-Al WsWm V V V Vmsmsmsms0000E Ec c(E(EF F) )s sE Ev vE0W Ws sW Wm m( (E EF F) )m mE Ec cE Ev v(E(EF F) )s sW Wm mE Ei i平带电压：使半导体能带恢复平带状态所需加平带电压：使半导体能带恢复平带状态所需加平带电压：使半导体能带恢复平带状态所需加平带电压：使半导体能带恢复平带状态所需加的栅极电压。的栅极电压。的栅极电压。的栅极电压。（2 2）SiOSiO2 2中可动正电荷对中可动正电荷对C-VC-V特性影响特性影响p-Si+-第一种第一种 以薄层形式分布以薄层形式分布半半导导体体金
15、金属属绝缘层绝缘层xExxQxd00第二种第二种第二种第二种 可动电荷在可动电荷在可动电荷在可动电荷在SiOSiOSiOSiO2 2 2 2中连续分布中连续分布中连续分布中连续分布半半导导体体金金属属绝缘层绝缘层金金属属绝缘层绝缘层xB-TB-T实验实验1 1、将陪片制备成、将陪片制备成MOSMOS结构电容，测量结构电容，测量C-VC-V特性曲特性曲线。线。2 2、将、将MOSMOS结构电容放入恒温箱，结构电容放入恒温箱，127127保温保温3030分分钟后，栅上加钟后，栅上加10V10V偏压测量偏压测量C-VC-V特性曲线。特性曲线。3 3、温度不变，栅压变为、温度不变，栅压变为-10V-1
16、0V，在此条件下测量，在此条件下测量C-VC-V特性曲线。特性曲线。固定表面电荷（薄层分布）固定表面电荷（薄层分布）界面态（情况复杂）界面态（情况复杂）- -图形位移、变形图形位移、变形总的为几种情况的综合总的为几种情况的综合氧化层中正电荷引起半导体表面附近电势变化氧化层中正电荷引起半导体表面附近电势变化 及能带弯曲及能带弯曲氧化层中负电荷引起半导体表面附近电势变化氧化层中负电荷引起半导体表面附近电势变化 及能带弯曲及能带弯曲n n型半导体表面层的三种状态型半导体表面层的三种状态 在硅在硅-二氧化硅界面处的快界面态二氧化硅界面处的快界面态快态与慢态快态与慢态快态与慢态快态与慢态施主型界面态与受
17、主型界面态施主型界面态与受主型界面态施主型界面态与受主型界面态施主型界面态与受主型界面态 5 5、表面电导及有效迁移率、表面电导及有效迁移率1 1、表面电导、表面电导l l半导体表面层内平行于表面方向的电导；半导体表面层内平行于表面方向的电导； 方形表面薄层电导：方形表面薄层电导：。l l表面电导与表面层中载流子浓度、载流子表面电导与表面层中载流子浓度、载流子 表面层中有效迁移率有关。表面层中有效迁移率有关。l附加表面电导附加表面电导 =q(=q(pspsp+ p+ nsns n) n) pspspsps 、nsnsnsns 分别为空穴和电子的有效迁移率。分别为空穴和电子的有效迁移率。分别为空
18、穴和电子的有效迁移率。分别为空穴和电子的有效迁移率。l（V Vs s）=(0)+(0)+q(q(pspsp+p+nsnsn)n) (0)(0)(0)(0)：平带薄层电导：平带薄层电导：平带薄层电导：平带薄层电导l以以以以p p p p型半导体为例分析型半导体为例分析型半导体为例分析型半导体为例分析V V V Vs s s s半导体表面层中总薄层表面电导半导体表面层中总薄层表面电导半导体表面半导体表面电导也随环境变化电导也随环境变化电导也随环境变化电导也随环境变化以以以以n-Gen-Gen-Gen-Ge为例：为例：为例：为例：2 2、有效迁移率：、有效迁移率： 半导体表面层中载流子的平均迁移率。
19、半导体表面层中载流子的平均迁移率。以电子为例：以电子为例：以电子为例：以电子为例：距半导体表面处距半导体表面处距半导体表面处距半导体表面处x x x x处电子的电导率处电子的电导率处电子的电导率处电子的电导率表面层中所有电子贡献的表面电导表面层中所有电子贡献的表面电导表面层中所有电子贡献的表面电导表面层中所有电子贡献的表面电导表面层中所有电子贡献的单位面积电荷表面层中所有电子贡献的单位面积电荷表面层中所有电子贡献的单位面积电荷表面层中所有电子贡献的单位面积电荷Q Q Q Qn n n n电子的电子的电子的电子的有效迁移率有效迁移率有效迁移率有效迁移率通常表面迁移率比体内要低很多。通常表面迁移率
20、比体内要低很多。通常表面迁移率比体内要低很多。通常表面迁移率比体内要低很多。 6 6、表面电场对、表面电场对pnpn结特性的研究结特性的研究栅控二极管栅控二极管npVTVGxyn+pVTVG几种组合形式 VT正负截止导通n+pVTVGVG负 多子堆积正多子耗尽少子反型 VT=0 VG=0 ECEVEFECEVEFECEVEF+-qVDVT0 VG=0 n+pVTVGECEV+-+-+VT=0 VG0 n+pVTVGn冶金结场感应结有表面电场影响的pn结场感应结出现后对场感应结出现后对场感应结出现后对场感应结出现后对pnpnpnpn结的影响结的影响结的影响结的影响1、反向电流变大IgMIgFIgSIRVG耗尽层反型层IgF：耗尽层中有复合产生中心，可以提供电子空穴对，产生反向电流。IgS：Si-SiO2界面态上电荷产生的电流。2 2 2 2、反向击穿电压的变化、反向击穿电压的变化、反向击穿电压的变化、反向击穿电压的变化
