半導體物理_第八章_半導體表面與MIS結構

1、第八章半導體表面與第八章半導體表面與MISMIS結構結構半導體表面問題在微電子技術的科學實驗和生產(chǎn)實踐中越半導體表面問題在微電子技術的科學實驗和生產(chǎn)實踐中越來越顯得關鍵和重要，其原因有三點：來越顯得關鍵和重要，其原因有三點：1、半導體表面的狀態(tài)可以嚴重地影響半導體器件的性能，、半導體表面的狀態(tài)可以嚴重地影響半導體器件的性能，特別是影響器件的穩(wěn)定性和可靠性。特別是影響器件的穩(wěn)定性和可靠性。2、利用半導體表面特有的效應研制出了許多非常重要的新、利用半導體表面特有的效應研制出了許多非常重要的新器件，例如器件，例如MOS器件，器件，CCD器件等。器件等。3、隨著微電子制造技術的進步，薄膜型器件不斷涌現(xiàn)

2、，在、隨著微電子制造技術的進步，薄膜型器件不斷涌現(xiàn)，在薄膜型器件中，表面效應及表面性質(zhì)起著決定性的作用。薄膜型器件中，表面效應及表面性質(zhì)起著決定性的作用。表、界面的定義表、界面的定義表、界面是指由一個相到另一個相的過渡區(qū)域。表、界面是指由一個相到另一個相的過渡區(qū)域。表、界面通?？梢苑譃橐韵挛孱悾罕?、界面通?？梢苑譃橐韵挛孱悾?固固氣、液氣、液氣、固氣、固液、液液、液液、固液、固固固氣體和氣體之間總是均相體系，因此不存在表、界面。氣體和氣體之間總是均相體系，因此不存在表、界面。習慣上把凝聚相與氣相之間的分界面（固習慣上把凝聚相與氣相之間的分界面（固氣、液氣、液氣）氣）稱為稱為表面表面，而把凝聚相

3、之間的分界面（固，而把凝聚相之間的分界面（固液、液液、液液、液、固固固）稱為固）稱為界面界面。物理表面物理表面物理表面物理表面材料表面材料表面 =0 理想理想MISMIS系統(tǒng)定性分析系統(tǒng)定性分析 （以（以P P類型為例）類型為例） - - 堆積、耗盡、反型堆積、耗盡、反型VBVB為費米電勢，決定半導體的類型及程度為費米電勢，決定半導體的類型及程度ECEVEiEFsVG0 xxdqVGkTEEnpFsiiexpiE在表面處在表面處 低于半導體低于半導體內(nèi)部值內(nèi)部值EFmQnQm特征特征ECEVEiEFsVG0 xxdm在強反型條件下在強反型條件下金屬與半導體間加負壓，金屬與半導體間加負壓，多子堆

4、積。多子堆積。金屬與半導體間加不太高的正壓，金屬與半導體間加不太高的正壓，多子耗盡。多子耗盡。金屬與半導體間加高正壓，金屬與半導體間加高正壓，少子反型。少子反型。Vs=2VB時，金屬板上加的電壓習慣上稱作開啟電壓，用時，金屬板上加的電壓習慣上稱作開啟電壓，用VT表示。表示。當反型層的厚度小到與電子的德布羅意波長相比擬時當反型層的厚度小到與電子的德布羅意波長相比擬時，反型電子處于量子阱中。，反型電子處于量子阱中。此時反型電子沿垂直界面方向的運動發(fā)生了量子化，對應的電子能級發(fā)生分裂，此時反型電子沿垂直界面方向的運動發(fā)生了量子化，對應的電子能級發(fā)生分裂，形成不連續(xù)的電子能級，但電子沿平行于界面方向的

5、運動則不受約束。把這種電形成不連續(xù)的電子能級，但電子沿平行于界面方向的運動則不受約束。把這種電子稱為子稱為二維電子氣二維電子氣。.1.1 理想理想MISMIS結構的電容結構的電容- -電壓特性電壓特性1.理想情況即假設：理想情況即假設： 不考慮功函數(shù)的影響；不考慮功函數(shù)的影響； 忽略絕緣層中的電荷；忽略絕緣層中的電荷； 忽略表面態(tài)的影響；忽略表面態(tài)的影響； 假定絕緣層完全不導電。假定絕緣層完全不導電。討論討論MIS結構的結構的C-V特性時，都以單位表面積的電容為準，特性時，都以單位表面積的電容為準，以以P型半導體為例。型半導體為例。0000111GssriisssVVVCCCCddQCdV 理

6、想的理想的MISMIS結構的電容相當于絕緣層電容和半導體空間電荷層電容的串聯(lián)。結構的電容相當于絕緣層電容和半導體空間電荷層電容的串聯(lián)。.2 .2 功函數(shù)對功函數(shù)對C-V特性的影響特性的影響.3 .3 絕緣層中電荷對絕緣層中電荷對C-V特性的影響特性的影響在實際的在實際的MIS結構中，其絕緣層中存在有電荷（通常為正電荷），存在的結構中，其絕緣層中存在有電荷（通常為正電荷），存在的電荷必然對電荷必然對MIS結構的結構的C-V特性產(chǎn)生影響，使半導體表面能帶發(fā)生彎曲，同特性產(chǎn)生影響，使半導體表面能帶發(fā)生彎曲，同樣引起樣引起C-V曲線沿電壓軸平移。曲線沿電壓軸平移。為了恢復平帶狀態(tài)，必須在為了恢復平帶狀

7、態(tài)，必須在MIS結構上加一定的偏壓。結構上加一定的偏壓。Si-SiO2系統(tǒng)系統(tǒng)Si-SiO2系統(tǒng)的特性和其中帶電情況密切相關，其主要的帶電形式有：系統(tǒng)的特性和其中帶電情況密切相關，其主要的帶電形式有：可動離子：主要是帶正電的可動離子：主要是帶正電的Na+ 、 K+ 、 Li+ 、 H+正離子；正離子；固定電荷：位于固定電荷：位于Si-SiO2界面附近界面附近200 處；處；界面態(tài)：界面態(tài)： Si-SiO2界面處位于禁帶中的能級或能帶；界面處位于禁帶中的能級或能帶；電離陷阱電荷：由射線、電離陷阱電荷：由射線、射線、電子射線等引起的電荷。射線、電子射線等引起的電荷?？蓜与x子可動離子特征：特征：這種

8、電荷不能進行充放電，密度用這種電荷不能進行充放電，密度用Qfc表示。表示。位于位于Si-SiO2界面界面20 nm范圍以內(nèi)；范圍以內(nèi)；Qfc不明顯受到氧化層厚度或硅中的雜質(zhì)類型及濃度的影響；不明顯受到氧化層厚度或硅中的雜質(zhì)類型及濃度的影響；1. Qfc與氧化和退火條件，以及硅晶體的取向有很顯著的關系。與氧化和退火條件，以及硅晶體的取向有很顯著的關系。界面態(tài)界面態(tài)界面態(tài)不僅可以使表面勢發(fā)生變化，影響器件性界面態(tài)不僅可以使表面勢發(fā)生變化，影響器件性能，還可以起復合中心的作用，特別是在表面層能，還可以起復合中心的作用，特別是在表面層出現(xiàn)耗盡層時，會使表面復合中心的作用變得特出現(xiàn)耗盡層時，會使表面復合

9、中心的作用變得特別有效。別有效。因此，盡量減少界面態(tài)是很重要的因此，盡量減少界面態(tài)是很重要的。陷阱電荷陷阱電荷.1.1 表面電導表面電導表面電導的定義：表面電導的定義：表面電導是指在半導體表面層內(nèi)沿平行于表面方向的電導率。表面電導是指在半導體表面層內(nèi)沿平行于表面方向的電導率。表面電導的大小應取決于表面電導的大小應取決于表面層內(nèi)載流子的多少表面層內(nèi)載流子的多少以及以及表面遷移表面遷移率的大小率的大小。表面層中載流子的數(shù)目，取決于表面勢的大小，所以表面電導表面層中載流子的數(shù)目，取決于表面勢的大小，所以表面電導最終也取決于最終也取決于表面勢表面勢，或者說垂直于表面方向的電場對表面電，或者說垂直于表面

10、方向的電場對表面電導起著控制作用。導起著控制作用。.2.2 表面遷移率表面遷移率小結小結小結小結小結小結小結小結理想理想MISMIS結構的電容結構的電容- -電壓特性電壓特性理想情況即假設：理想情況即假設： 不考慮功函數(shù)的影響；不考慮功函數(shù)的影響； 忽略絕緣層中的電荷；忽略絕緣層中的電荷； 忽略表面態(tài)的影響；忽略表面態(tài)的影響； 假定絕緣層完全不導電。假定絕緣層完全不導電。討論討論MIS結構的結構的C-V特性時，都以單位表面積的電容為準，特性時，都以單位表面積的電容為準，以以P型半導體為例。型半導體為例。小結小結Si-SiO2系統(tǒng)的特性和其中帶電情況密切相關，其主要的帶電形式有：系統(tǒng)的特性和其中帶電情況密切相關，其主要的帶電形式有：可動離子：主要是帶正電的可動離子：主要是帶正電的Na+