第十一講薄膜材料物理第四章薄膜的表面和界面

1、第十一講薄膜材料物理第四章薄膜的表面和界面 第四章第四章 薄膜的表面和界面薄膜的表面和界面( (續(xù)續(xù)) ) 第第1111講講 在研究薄膜中，表面：固體和氣體或真空的分界面在研究薄膜中，表面：固體和氣體或真空的分界面 界面界面: : 固體和固體的分界面固體和固體的分界面 幾何表面：表面的幾何分界面。幾何表面：表面的幾何分界面。 物理表面：一個電子結(jié)構(gòu)不同于內(nèi)部的表面區(qū)域物理表面：一個電子結(jié)構(gòu)不同于內(nèi)部的表面區(qū)域 由于具體的材料不同，表面區(qū)的厚度有很大的差異由于具體的材料不同，表面區(qū)的厚度有很大的差異 薄膜的常用厚度為幾十到幾百薄膜的常用厚度為幾十到幾百nm.nm. 金屬的表面區(qū)只有一金屬的表面區(qū)

2、只有一. .二個原子層；二個原子層； 半導(dǎo)體的表面區(qū)，卻有幾個，甚至幾千個原子層；半導(dǎo)體的表面區(qū)，卻有幾個，甚至幾千個原子層； 電介質(zhì)的表面區(qū)更厚。電介質(zhì)的表面區(qū)更厚。金屬表面帶正電，半導(dǎo)體的界面層中帶負(fù)電，金屬表面帶正電，半導(dǎo)體的界面層中帶負(fù)電， 由電子增多，所以半導(dǎo)體界面層的費(fèi)米能解的由電子增多，所以半導(dǎo)體界面層的費(fèi)米能解的價帶頂?shù)木嚯x增大，價帶向下彎曲價帶頂?shù)木嚯x增大，價帶向下彎曲正電荷面正電荷面金屬一側(cè)金屬一側(cè)半導(dǎo)體一側(cè)半導(dǎo)體一側(cè)負(fù)電荷層（空間電荷層），負(fù)電荷層（空間電荷層），由電離的受主構(gòu)成由電離的受主構(gòu)成 當(dāng)當(dāng)m mm m 電流為電流為導(dǎo)致有較多的空穴從半導(dǎo)體流向金屬：導(dǎo)致有較多的

3、空穴從半導(dǎo)體流向金屬： smmsJk ssmVJ 圖（圖（e e）：）：V Vm m=0=0，V Vs s=-V=-V，即半導(dǎo)體一側(cè)接負(fù)，即半導(dǎo)體一側(cè)接負(fù) 半導(dǎo)體中的電子能為上升，或半導(dǎo)體中的空穴能半導(dǎo)體中的電子能為上升，或半導(dǎo)體中的空穴能位下降位下降0,s maxmsmJk 但：但：對金屬來說對金屬來說m m很小很小. . 阻向，反向阻向，反向?qū)е掠锌昭◤慕饘倭飨虬雽?dǎo)體形成電流：導(dǎo)致有空穴從金屬流向半導(dǎo)體形成電流：m ms s當(dāng)當(dāng)m ms s時，金屬與時，金屬與p p型半導(dǎo)體接觸如圖：型半導(dǎo)體接觸如圖：(a)(a)接觸前接觸前p 型型FECE金屬金屬m 雜質(zhì)能級雜質(zhì)能級ssE CES FEV

4、EaESES msmsFECEVEms msE p 型型金屬金屬(b)接觸后接觸后 接觸后，電子從半導(dǎo)體流向金屬，在半導(dǎo)體表面接觸后，電子從半導(dǎo)體流向金屬，在半導(dǎo)體表面形成空穴，在金屬表面積積累電子，從而形成雙電層。形成空穴，在金屬表面積積累電子，從而形成雙電層。對電子來說，界面處有相當(dāng)大的位壘，但是對于空穴對電子來說，界面處有相當(dāng)大的位壘，但是對于空穴來說，情況正好相反。因而空穴很易從空穴從半導(dǎo)體來說，情況正好相反。因而空穴很易從空穴從半導(dǎo)體流向金屬，并瞬時得到中和。因為熱激發(fā)，在金屬導(dǎo)流向金屬，并瞬時得到中和。因為熱激發(fā)，在金屬導(dǎo)帶中形成的空穴也很易流入半導(dǎo)體，所以這種接觸沒帶中形成的空穴

5、也很易流入半導(dǎo)體，所以這種接觸沒有整流效應(yīng)，是歐姆接觸有整流效應(yīng)，是歐姆接觸 有表面態(tài)的影響有表面態(tài)的影響 對于金屬與半導(dǎo)體薄膜的接觸：對于金屬與半導(dǎo)體薄膜的接觸：須進(jìn)行研究須進(jìn)行研究n n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體CdsCds薄膜薄膜碲，鉑，金接觸碲，鉑，金接觸整流接觸整流接觸鋁，鉻，銦接觸鋁，鉻，銦接觸歐姆接觸歐姆接觸(3) (3) 表面態(tài)對接觸特性的影響表面態(tài)對接觸特性的影響 接觸界面的電荷分布和勢壘是由金屬表面態(tài)和接觸界面的電荷分布和勢壘是由金屬表面態(tài)和半導(dǎo)體這三個電子系統(tǒng)的相互平衡決定，這三個系統(tǒng)半導(dǎo)體這三個電子系統(tǒng)的相互平衡決定，這三個系統(tǒng)美歐相互接觸，如下美歐相互接觸，如下 E EF F是

6、表面態(tài)處于電中性時的費(fèi)米能級，可將是表面態(tài)處于電中性時的費(fèi)米能級，可將它看成是填滿的和空的表面能解的分界線。它看成是填滿的和空的表面能解的分界線。FE金屬金屬m p 型型CEVEFES S FE 0 接觸前接觸前: :各自處于電中性的各自處于電中性的情況情況023gE Vs s：從表面態(tài)：從表面態(tài)E EF F到真空能解的能量到真空能解的能量0 0：從表面態(tài)：從表面態(tài)E EF F到導(dǎo)帶底的能量到導(dǎo)帶底的能量 硅，鍺，砷化鎵等硅，鍺，砷化鎵等 先討論金屬與表面態(tài)間的平衡先討論金屬與表面態(tài)間的平衡 m ms s 電子從金屬流入半導(dǎo)體表面電子從金屬流入半導(dǎo)體表面態(tài)態(tài)金屬正，半導(dǎo)負(fù)，金屬正，半導(dǎo)負(fù)，V相

7、應(yīng)形成點(diǎn)位差相應(yīng)形成點(diǎn)位差（金屬一邊為正）。（金屬一邊為正）。金屬為正，金屬為正，費(fèi)米能級下降費(fèi)米能級下降 整個金屬能帶下降整個金屬能帶下降q q 電子流進(jìn)表面態(tài)電子流進(jìn)表面態(tài)FE 表面態(tài)的費(fèi)米能級升高表面態(tài)的費(fèi)米能級升高 間隙間隙在在V FE 金屬金屬FE q V 0 n 型型VECEFEV0mFE sm FE 原來金屬的費(fèi)米能級比表面態(tài)的高（原來金屬的費(fèi)米能級比表面態(tài)的高（），），接觸后，金屬的費(fèi)米能級下降接觸后，金屬的費(fèi)米能級下降q q，表面態(tài)的費(fèi)米能，表面態(tài)的費(fèi)米能級上升級上升 從金屬費(fèi)米能級到半導(dǎo)體導(dǎo)帶的能量，即位壘為：從金屬費(fèi)米能級到半導(dǎo)體導(dǎo)帶的能量，即位壘為：在沒有表面態(tài)時，界面

8、間距在沒有表面態(tài)時，界面間距很小，其上電位差很小，其上電位差sm VFE 在補(bǔ)償在補(bǔ)償中，中，q q為主，為主，為輔。為輔。 Fsmq VE 平衡平衡很小可忽略在有表面態(tài)時，在很小可忽略在有表面態(tài)時，在上的電位差可達(dá)上的電位差可達(dá)一伏特的數(shù)量級，此處電場大一伏特的數(shù)量級，此處電場大.00 MFE 這說明金屬和表面態(tài)上單位面積的電荷多再考慮與這說明金屬和表面態(tài)上單位面積的電荷多再考慮與半導(dǎo)體內(nèi)部取得平衡由于半導(dǎo)體內(nèi)部的半導(dǎo)體內(nèi)部取得平衡由于半導(dǎo)體內(nèi)部的E Eg g高于金屬和表高于金屬和表面態(tài)的費(fèi)米能級，電子將從半導(dǎo)體流向金屬和表面態(tài)面態(tài)的費(fèi)米能級，電子將從半導(dǎo)體流向金屬和表面態(tài)雙電層雙電層0FE

9、 在半導(dǎo)體一邊形成有一定厚度的正空間電荷區(qū)，在半導(dǎo)體一邊形成有一定厚度的正空間電荷區(qū)，在空間電荷區(qū)中的電位差（半導(dǎo)體一邊為正）在空間電荷區(qū)中的電位差（半導(dǎo)體一邊為正）使半導(dǎo)體內(nèi)的能帶連同費(fèi)米能級一起下降，最后使半導(dǎo)體內(nèi)的能帶連同費(fèi)米能級一起下降，最后使金屬表面態(tài)，半導(dǎo)體三個系統(tǒng)的費(fèi)米能級都相同。使金屬表面態(tài)，半導(dǎo)體三個系統(tǒng)的費(fèi)米能級都相同。 在表面態(tài)很多，其能態(tài)密度很大的極端情況下，在表面態(tài)很多，其能態(tài)密度很大的極端情況下，不管表面態(tài)和金屬交換多少電子，表面態(tài)的不管表面態(tài)和金屬交換多少電子，表面態(tài)的E EF F都將都將變化很小，甚至認(rèn)為：變化很小，甚至認(rèn)為：金屬金屬n 型型FE FECEVE0

10、 M ms FnD E n 設(shè)設(shè)為單位面積上由金屬到表面態(tài)的電子數(shù)為單位面積上由金屬到表面態(tài)的電子數(shù)D D為表面態(tài)單位面積的態(tài)密度（單位能量）為表面態(tài)單位面積的態(tài)密度（單位能量） nq 所以，金屬和表面態(tài)單位面積的電荷為所以，金屬和表面態(tài)單位面積的電荷為00rrnqE 內(nèi)內(nèi)在在內(nèi)的場強(qiáng)內(nèi)的場強(qiáng) （來源于電場高斯定理）（來源于電場高斯定理）0rnqVE d 內(nèi)內(nèi)V間的電位差間的電位差為：為：所以在所以在Fsmq VE 0smrnqnqD 由平衡條件：由平衡條件： Mm但在一般情況下，金屬的逸出功但在一般情況下，金屬的逸出功對對（勢壘高度）（勢壘高度）是有影響的，是有影響的，201smrqn qD

11、 201smrqnqD 2011FsmrnqEqDDD 200011MFmsrqEqDD 該式具體說明了勢壘高度如何隨金屬逸出功該式具體說明了勢壘高度如何隨金屬逸出功m 而變化的。而變化的。m 前面的系數(shù)是一個分?jǐn)?shù)前面的系數(shù)是一個分?jǐn)?shù)1 5.對于對于n n型硅：這個系數(shù)為型硅：這個系數(shù)為1 5.說明勢壘高度的變化只有金屬逸出功的說明勢壘高度的變化只有金屬逸出功的FE 實(shí)際的金屬實(shí)際的金屬半導(dǎo)體接觸一般都具有較高哦半導(dǎo)體接觸一般都具有較高哦阿德表面態(tài)高度，所以，達(dá)到平衡時，界面處阿德表面態(tài)高度，所以，達(dá)到平衡時，界面處費(fèi)米能級必然很接近原來表面態(tài)的費(fèi)米能級費(fèi)米能級必然很接近原來表面態(tài)的費(fèi)米能級F

12、E 對于大多數(shù)的主要半導(dǎo)體，對于大多數(shù)的主要半導(dǎo)體，在價帶之上約在價帶之上約1 3gE1 3處處m M m 隨隨變化的幅度要比變化的幅度要比小。小。CEVE3gE金屬金屬n 型型FEsqV 3gE金屬金屬p 型型CEVEFE(a) N(a) N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(b) p(b) p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體金屬金屬- -半導(dǎo)體接觸時的位壘半導(dǎo)體接觸時的位壘1 3gEFE 由圖可知，由圖可知，處在處在圖中圖中V Vs s表示半導(dǎo)體表面相對于內(nèi)部的電勢差表示半導(dǎo)體表面相對于內(nèi)部的電勢差對于對于n n型半導(dǎo)體，能帶向上彎，構(gòu)成對電子的位壘型半導(dǎo)體，能帶向上彎，構(gòu)成對電子的位壘對于對于p p型半導(dǎo)體，能帶向下彎，

13、構(gòu)成對空穴的位壘型半導(dǎo)體，能帶向下彎，構(gòu)成對空穴的位壘 金屬與半導(dǎo)體接觸，一般都會形成位壘，金屬與半導(dǎo)體接觸，一般都會形成位壘，而構(gòu)成整流接觸而構(gòu)成整流接觸（價帶之上）的位置，（價帶之上）的位置，如果在金屬如果在金屬半導(dǎo)體接觸時，無法避免產(chǎn)生位壘，半導(dǎo)體接觸時，無法避免產(chǎn)生位壘，則可采用以下形成歐姆接觸則可采用以下形成歐姆接觸不論是不論是n n型或型或p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體都將形成位壘都將形成位壘 第一種方法是用在半導(dǎo)體中高濃度摻雜，以減薄位壘，第一種方法是用在半導(dǎo)體中高濃度摻雜，以減薄位壘， 加強(qiáng)隧道效應(yīng)。因為隧道長度就是空間電荷區(qū)的加強(qiáng)隧道效應(yīng)。因為隧道長度就是空間電荷區(qū)的 寬度。而后者與半導(dǎo)體摻雜濃度的平方根成反比寬度。而后者與半導(dǎo)體摻雜濃度的平方根成反比 （單邊突變結(jié)）（單邊突變結(jié)） 第二種方法是在接觸界