半導(dǎo)體物理與器件第九章2

半導(dǎo)體物理與器件陳延湖金屬半導(dǎo)體結(jié)的整流接觸特性，即肖特基勢(shì)壘PN結(jié)的理想電壓電流特性金屬半導(dǎo)體結(jié)的歐姆接觸概念及特性異質(zhì)結(jié)典型能帶結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)本章重點(diǎn)問(wèn)題：第九章金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)當(dāng)金屬作為引線電極將器件的電流或電壓接入電路時(shí)，金半接觸需要實(shí)現(xiàn)歐姆接觸而不是整流接觸。良好的歐姆接觸是器件制造的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是器件所必備的。特別對(duì)于高頻和大功率器件。9.2金屬半導(dǎo)體的歐姆接觸對(duì)于高頻晶體管器件其性能品質(zhì)因子為特征頻率fT和最高震蕩頻率fmax良好的歐姆接觸保證較小的電極電阻Rb、Rc、Re，從而獲得較大的ft、fmax歐姆接觸：它不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，而且不會(huì)使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著的改變。理想歐姆接觸的接觸電阻很小，歐姆接觸上的電壓降應(yīng)該遠(yuǎn)小于樣品和器件本身的壓降；VIVI歐姆接觸：線性IV曲線；零偏接觸電阻較小如何實(shí)現(xiàn)歐姆接觸：選擇合適的金屬使半導(dǎo)體形成反阻擋層，反阻擋層沒(méi)有整流作用。9.2.1理想非整流接觸勢(shì)壘金屬與n型半導(dǎo)體接觸：當(dāng)m<s時(shí)，在半導(dǎo)體表面形成反阻擋層接觸前接觸后正偏反偏正偏：電子從半導(dǎo)體流向金屬?zèng)]有遇到勢(shì)壘，就會(huì)有很大的正向電流反偏：電子從金屬流向半導(dǎo)體會(huì)遇到小的勢(shì)壘，很容易穿過(guò)勢(shì)壘形成很大的反向電流因而M<s時(shí)金屬與N型半導(dǎo)體形成歐姆接觸，也就是半導(dǎo)表面形成反阻擋層可以形成歐姆接觸。同理當(dāng)m>s時(shí)，金屬與P型半導(dǎo)體也可以形成歐姆接觸（參見(jiàn)圖9.13）由于半導(dǎo)體表面態(tài)的存在，假定半導(dǎo)體能帶隙的上半部分存在受主表面態(tài)，那么所有受主態(tài)都位于EF之下，如圖9.11b.這些表面態(tài)帶負(fù)電荷，將使能帶圖發(fā)生變化。同樣地假定半導(dǎo)體能帶隙的下半部分存在施主表面態(tài)，如圖9.13b，所有施主態(tài)都位于EF之上，這些表面態(tài)帶正電荷，將使能帶圖發(fā)生變化。因此表面態(tài)的作用可能使反阻擋層變?yōu)樽钃鯇?，因而?dǎo)致無(wú)法形成良好的歐姆接觸如何實(shí)現(xiàn)歐姆接觸：由于重要半導(dǎo)體材料具有高表面態(tài)，往往難以利用選擇金屬材料的方法實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。在生產(chǎn)實(shí)際中常采用隧道效應(yīng)在半導(dǎo)體上制造歐姆接觸。9.2.2隧道效應(yīng)金屬半導(dǎo)體接觸的空間電荷層寬度與半導(dǎo)體摻雜濃度的平方根成反比，隨著摻雜濃度的增加，遂穿效應(yīng)增強(qiáng)金屬與重?fù)诫s半導(dǎo)體結(jié)的能帶圖用比接觸電阻Rc表征歐姆接觸的好壞：電流密度對(duì)電壓求導(dǎo)的倒數(shù)，單位為Ω.cm2

對(duì)高摻雜半導(dǎo)體，隧道電流起主要作用，RC強(qiáng)烈依賴于半導(dǎo)體摻雜濃度輔助措施：金屬與半導(dǎo)體材料合金化，形成穩(wěn)定的合金物質(zhì)：如對(duì)硅材料，形成硅化物，即silicide針對(duì)難以重?fù)诫s的寬禁帶化合物，采用與窄帶隙半導(dǎo)體構(gòu)成緩變異質(zhì)結(jié)來(lái)過(guò)渡、并加上高摻雜技術(shù)，即在寬帶隙半導(dǎo)體表面上加一層高摻雜（型號(hào)相同）的窄帶隙半導(dǎo)體、構(gòu)成一個(gè)異質(zhì)結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。器件中歐姆接觸范例：發(fā)射極（寬禁帶AlGaAs)：生長(zhǎng)可高摻雜的窄禁帶GaAs層，實(shí)現(xiàn)歐姆接觸1e191e161e181e19集電極：生長(zhǎng)子集電極GaAs層，重?fù)?e18，實(shí)現(xiàn)歐姆接觸基極（窄禁帶GaAs)：GaAs層重?fù)诫s1e19，實(shí)現(xiàn)歐姆接觸對(duì)HBT器件合金前后器件特性對(duì)比:通過(guò)合金，HBT器件的集電極金半接觸電阻變小，HBT器件的飽和電壓減小。9.3異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)定義：由兩種不同的半導(dǎo)體材料形成的結(jié)稱為異質(zhì)結(jié)(heterojunction)。由于形成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體單晶材料的禁帶寬度、介電常數(shù)、折射率、吸收系數(shù)等物理參數(shù)不同，異質(zhì)結(jié)(heterojuction)表現(xiàn)出不同于同質(zhì)結(jié)（homojunction）的性質(zhì)。異質(zhì)結(jié)器件的發(fā)展：1948年肖克萊提出HBT概念和獲得專利；1960年制造成功第一個(gè)異質(zhì)結(jié)；1969年實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器；

1972年IBM實(shí)現(xiàn)HBT器件(GaAs基）；1980實(shí)現(xiàn)HEMT器件；1987年IBM實(shí)現(xiàn)SiGeHBT分子束外延生長(zhǎng)（MBE）異質(zhì)結(jié)制作技術(shù)：外延技術(shù)—液相、氣相、分子束等。Epitaxial異質(zhì)結(jié)的分類反型異質(zhì)結(jié)：指由導(dǎo)電類型相反的兩種不同的半導(dǎo)體材料所形成的異質(zhì)結(jié)。如p型Ge與n型GaAs所形成的結(jié)，記為p-nGe-GaAs；若異質(zhì)結(jié)由n型Ge與p型GaAs所形成，記為n-pGe-GaAs。同型異質(zhì)結(jié)：指由導(dǎo)電類型相同的兩種不同的半導(dǎo)體材料所形成的異質(zhì)結(jié)。如n型Ge與n型GaAs形成n-nGe-GaAs。異質(zhì)結(jié)也可以分為突變型異質(zhì)結(jié)和緩變型異質(zhì)結(jié)兩種一般把禁帶寬度較小的半導(dǎo)體材料寫(xiě)在前面?；蛘哂么髮?xiě)字母表示較寬帶隙的材料，如Np，nP，Nn，pP。9.3.2異質(zhì)結(jié)能帶圖在研究異質(zhì)結(jié)特性時(shí)，異質(zhì)結(jié)的能帶圖起著重要作用，異質(zhì)結(jié)的能帶圖取決于形成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體的電子親和勢(shì)、禁帶寬度、及功函數(shù)、界面態(tài)等真空能級(jí)窄禁帶材料p型Ge和寬禁帶材料N型GaAs成結(jié)前的能帶圖不考慮界面態(tài)時(shí)的突變反型異質(zhì)結(jié)能帶圖形成突變nP異質(zhì)結(jié)后的熱平衡能帶圖Vbi為接觸電勢(shì)差或內(nèi)建電勢(shì)差Vbin和Vbip分別為交界面兩側(cè)半導(dǎo)體的內(nèi)建電勢(shì)差。突變pN異質(zhì)結(jié)后的熱平衡能帶圖特點(diǎn)1能帶在交界面處不連續(xù)，有一個(gè)突變。EC和EV的出現(xiàn)將阻礙載流子通過(guò)界面，這種對(duì)載流子的限制作用是同質(zhì)結(jié)中所沒(méi)有的導(dǎo)帶底處:價(jià)帶頂處:突變pN異質(zhì)結(jié)后的熱平衡能帶圖特點(diǎn)2能帶在交界面處出現(xiàn)”尖峰”和”凹口”。因而可能會(huì)出現(xiàn)電子或空穴的堆積。9.3.3二維電子氣以同型異質(zhì)結(jié)n/NGaAs-AlGaAs為例，其能帶圖如下勢(shì)阱（凹口）中積累了電子基于量子力學(xué)，勢(shì)阱中的電子能量是量子化的因此，電子在與界面垂直的方向上有量子化的能級(jí)，同時(shí)可以向空間其他兩個(gè)方向自由移動(dòng)，這種電子稱二維電子氣二維電子氣可位于低摻雜或不摻雜的區(qū)域，因而其中電子的遷移率遠(yuǎn)高于存在電離摻雜雜質(zhì)的區(qū)域的電子的遷移率如果異質(zhì)結(jié)變?yōu)榫徸兘Y(jié)，則二維電子氣的遷移率還可以進(jìn)一步提高二維電子氣的優(yōu)點(diǎn)：9.3.4靜電平衡態(tài)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)由于特殊的能帶結(jié)構(gòu)(能帶不連續(xù)，存在勢(shì)壘尖峰和勢(shì)阱)及晶格不匹配而引入界面態(tài)等因素，異質(zhì)結(jié)的電流電壓關(guān)系較同質(zhì)結(jié)復(fù)雜的多。存在多個(gè)電流電壓模型：擴(kuò)散模型發(fā)射模型發(fā)射復(fù)合模型隧道模型隧道復(fù)合模型等9.3.5IV特性

同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)電流電壓成分對(duì)比：（1）同質(zhì)結(jié)中電子勢(shì)壘與空穴勢(shì)壘相同，電子電流與空穴電流的相對(duì)數(shù)量級(jí)由相對(duì)雜質(zhì)濃度決定。（2）但在異質(zhì)結(jié)中，電子勢(shì)壘與空穴勢(shì)壘有可能不同，較小的勢(shì)壘高度導(dǎo)致較大的載流子電流，實(shí)際電流可由勢(shì)壘高度小的載流子電流決定?？昭ㄓ蒔型半導(dǎo)體的價(jià)帶到N型半導(dǎo)體的價(jià)帶所遇勢(shì)壘高度：電子由N型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶到P型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶所遇勢(shì)壘高度：負(fù)反向勢(shì)壘