第八章半導體表面與MIS結構

1、.,第八章半導體表面與MIS結構,.,主要內(nèi)容,8.1 表面態(tài)與表面電場效應 8.2 MIS 結構的C-V 特性 8.3 Si-SiO2 系統(tǒng)的性質(zhì) 8.4 表面電導及遷移率,重點掌握 1）表面電場效應 2）理想與非理想MIS結構的C-V特性,.,8.1 表面態(tài)與表面電場效應,一.表面態(tài)：晶體表面出現(xiàn)的局域態(tài)。 1.產(chǎn)生原因： 半導體表面未飽和的鍵懸掛鍵；體缺陷或吸附外來原子。 2.作用：表面態(tài)改變了晶體的周期性勢場。 1）可以制成各種MOS，CCD等器件。 2）嚴重影響器件的穩(wěn)定性。,.,二.表面電場效應,表面電場產(chǎn)生的原因 1）功函數(shù)不同的金屬和半導體接觸； 2）半導體具有表面態(tài)； 3）M

2、IS結構的金屬和半導體功函數(shù)不同； 4）外加電壓。,.,2.理想的MIS結構,1）Wm=Ws 2）絕緣層中無電荷且完全不導電 3）絕緣層/半導體接觸界面間無界面態(tài),理想MIS （P型） 結構能帶圖,.,3.空間電荷區(qū)與表面勢,1）MIS結構與等效電路,在半導體中，電荷分布在一定厚度的表面層內(nèi)， 這個帶電的表面層稱為空間電荷區(qū)。,.,2）表面勢：空間電荷區(qū)兩端的電勢差Vs,常以體內(nèi)中性區(qū)電勢作為零點(以p型半導體為例）,VG 0，表面能帶向上彎曲，表面積累VS0,（1）多數(shù)載流子堆積狀態(tài),表面多子濃度大于體內(nèi)，表面多子積累；表面勢為負。,.,（2）多數(shù)載流子耗盡狀態(tài),VG 0，能帶向下彎曲,表面

3、耗盡VS0,表面空穴濃度小于體內(nèi)， 表面多子耗盡；表面勢為正,.,（3）少數(shù)載流子的反型狀態(tài),VG 0，表面處Ei低于EF， 表面反型nsps,形成與原來半導體襯底導電類型相反的一層，叫反型層。,.,四.表面空間電荷層的電場、電勢和電容,在空間電荷區(qū)，一維泊松方程為：,電荷密度為：,電子和空穴的濃度：,.,平衡時，在體內(nèi)，滿足電中性條件：,在空間電荷區(qū),以上各式代入泊松方程：,上式兩邊乘dV并積分，可得：,.,上式兩邊積分，由 ，得：,令：,則：,V0 能帶向上彎曲，E取+，方向從體內(nèi)指向表面 V0 能帶向下彎曲，E取-，方向從表面指向體內(nèi),.,根據(jù)高斯定律，表面面電荷密度Qs滿足：,電場變化

4、引起電荷變化，其微分電容為：,利用：,得到：,.,(1) p型多子積累,當VG0，Vs0，V0時，,又,由,得,則,隨-Vs增大指數(shù)增加,.,（2）平帶狀態(tài)（ VG=0 ，Vs=0）,利用, Vs0，npo/ppo0 化簡,.,（3） 耗盡狀態(tài),當VG0，Vs0，np0/pp01,時，空穴耗盡。,忽略F函數(shù)中np0/pp0，exp-qV（KT）項，,由耗盡層盡似,得：,.,（4） 反型狀態(tài),強反型 條件,由,得,由玻爾茲曼統(tǒng)計分布,式中,得強反型條件：,nspp0,.,強反型的臨界條件：,強反型的條件：,達到強反型時金屬極板上所加的電壓叫 開啟電壓(閾值電壓）VT 摻雜越高，Eg 大，VT 越

5、大。,.,臨界強反型的電場，電勢：,Qs隨 線性變化其值為負,.,強反型時，Vs 2V B:,強反型時，面電荷密度Qs隨Vs按指數(shù)增大。,.,出現(xiàn)強反型后，耗盡層寬度達到極大值,.,室溫下，NA1015cm-3的p型Si,Qs與Vs的關系,.,(5)深耗盡狀態(tài)：,當VG 0，加高頻或脈沖電壓，表面深耗盡。,高頻電壓，反型層來不及形成，電中性條件靠耗盡層厚度隨電壓的增加而展寬來實現(xiàn)。,空間電荷層中只存在電離雜質(zhì)所形成的空間電荷， “耗盡層近似”仍適用。,深耗盡狀態(tài)的應用：制備CCD等。,.,上節(jié)重點復習,以下以p型半導體理想MIS結構為例： （1）多子的積累VG 0，表面能帶向上彎曲，表面積累V

6、S0,（2）平帶狀態(tài)（ VG=0 ，Vs=0）,.,（3）多子耗盡狀態(tài)VG 0，能帶向下彎曲,表面耗盡VS0,（4）少子的反型狀態(tài)， VG 0 強反型時條件：Vs 2V B， 能帶向下彎曲劇烈,出現(xiàn)強反型后，耗盡層寬度達到極大值,開啟電壓(閾值電壓）VT,.,8.2 MIS 結構的C-V 特性,一. 理想MIS結構的電容電壓特性,在金屬上加電壓VG，絕緣層 上壓降V0，半導體表面電勢 Vs，即：,其中 C0=r 0/d0 表示絕緣層單位面積電容， 由絕緣層厚度決定。,.,根據(jù)微分電容的定義得:,令,得,表明MIS電容由CO和Cs串聯(lián)而成,常用歸一化電容：,.,1.當VG 0時，p型半導體表面積

7、累（圖中AC),1） 當負偏壓較大時，Vs0, 電荷積累在半導體表面， MIS結構電容相當于絕緣層平板電容(圖中AB段）。 2）當負偏壓較小時，C隨Vs減小而減小(圖中BC段）。,.,P型半導體MIS結構低頻C-V曲線,.,2.當VG=0，理想MIS結構Vs0， 此電容叫平帶電容CFB,利用,可得,1） 若d0一定，NA越大，表面空間電荷層變薄， CFB/C0增大； 若NA一定， d0越大，C0愈小，CFB/C0增大； 2）根據(jù)上式，利用C-V曲線可得到d0或NA（或ND),.,歸一化平帶電容與氧化層厚度的關系,.,3. 當VG0時，p型半導體表面耗盡（圖CD段）,耗盡時,正偏，耗盡時，空間電

8、荷區(qū)厚度xd和表面勢Vs均隨VG增大而增加， xd大， Cs 減小, C/C0減小。,.,P型半導體MIS結構低頻C-V曲線,.,4.當VG 0時，p型半導體表面強反型（圖EF段）,強反型時,1）低頻情況,強反型時，反型層表面聚集大量電荷， MIS結構 相當于絕緣層平板電容，CC0。,.,P型半導體MIS結構低頻C-V曲線,.,2）高頻情況,反型層中電子數(shù)量跟不上頻率的變化?？傠娙萦珊谋M層電荷隨VG的變化決定。耗盡層寬度達最大值xdm，Cs，C均最小且不變。 則有,.,高頻時，理想MIS結構歸一化極小電容與氧化層厚度的關系,.,頻率對MIS(P型半導體)結構C-V特性的影響,.,N型半導體構成

9、MIS結構的C-V特性,.,小結,1. 半導體材料和絕緣層材料一定，MIS結構C-V特性由半導體半導體摻雜濃度和絕緣層厚度決定。 2. 由C-V曲線可得到半導體摻雜濃度和絕緣層厚度。,.,二. 金屬與半導體功函數(shù)差對MIS結構C-V特性的影響,如果WmWs, 當VG=0時，表面能帶向下彎曲。 Vms(Ws-Wm)/q,.,平帶電壓：為了恢復半導體表面平帶狀態(tài)，需外加一電壓，這個電壓叫平帶電壓VFB。此處VFB為負。,因而，理想MIS結構的平帶點 由VG=0 移到 VG=VFB 即：C-V特性曲線向負柵壓方向平移。,.,功函數(shù)差對MIS結構C-V特性的影響,WmWs,.,三.絕緣層中電荷對MIS

10、結構C-V特性的影響,如絕緣層有電荷，在金屬表面和半導體表面附近感應出符號相反的電荷，空間電荷區(qū)產(chǎn)生電場，能帶發(fā)生彎曲。需外加電壓使能帶達到平帶，這個電壓叫平帶電壓。,絕緣層中薄層電荷的影響,.,為抵消絕緣層中薄層電荷的影響所需加的平帶電壓,金屬與薄層間電場,由高斯定理,得到,絕緣層中電荷越接近半導體表面，對C-V特性影響越大； 在金屬/絕緣層界面，對C-V特性無影響。,.,絕緣層中正電荷對C-V曲線的影響,.,如電荷在絕緣層中具有某種分布，則由積分求平帶電壓,可見，VFB隨絕緣層中電荷分布而變化。如果絕緣 層中存在可動電荷，則其移動使VFB改變，引起C-V 曲線沿電壓軸平移。 當功函數(shù)差和絕

11、緣層電荷同時存在時，,.,8.3 Si-SiO2 系統(tǒng)的性質(zhì),一. Si-SiO2系統(tǒng)存在以下四種基本類型電荷： SiO2層中可動離子，在一定溫度和偏壓下可在SiO2 中移動；Na+ 、K+ 等。 2. SiO2層中的固定電荷，在Si-SiO2 界面約20nm內(nèi)； 3. 界面態(tài)Si-SiO2 界面處禁帶中的能級或能帶； Si-SiO2界面處快界面態(tài)； 快界面態(tài)可迅速地和半導體交換電荷。 空氣/ SiO2界面處慢態(tài)。 4. SiO2層中的電離陷阱電荷，由各種輻射引起。,.,Si-SiO2系統(tǒng)中的電荷狀態(tài),.,二. Si-SiO2系統(tǒng)中的電荷的作用： 引起MOS結構C-V特性變化，影響器件性能。

12、三.減少Si-SiO2系統(tǒng)中的電荷的主要措施： 1. 防止沾污減少Na+ 等可動離子。 2.退火，熱處理減少固定電荷和陷阱電荷。 3.選100晶向的單晶硅減少界面態(tài)。,., 8.4 表面電導及遷移率,1.表面電導 表面電導取決于表面層載流子濃度及遷移率。 垂直于表面的電場產(chǎn)生表面勢，改變載流子濃度，影響表面電導。,.,以p型MIS結構為例：,1）表面勢為負,多子積累，表面電導增加； 2）表面勢為正,多子耗盡，表面電導減??； 3）表面勢為正且很大，表面反型，反型層中電子濃度高，表面電導很大；,.,2. 表面載流子的有效遷移率,1）由于表面散射以及熱氧化時雜質(zhì)再分布的 影響，使得表面遷移率僅約體內(nèi)

13、一半。 2）有效遷移率還與溫度有關。,.,本章小結,1.在電場或其他物理效應作用下，半導體表面層載流子分布發(fā)生變化，產(chǎn)生表面勢及電場，導致表面能帶彎曲。半導體表面電場不同，導致表面出現(xiàn)多子的積累、平帶、耗盡、反型或強反型。以下以p型半導體為例： （1）多子的積累VG 0，表面能帶向上彎曲，表面積累VS0,.,（2）平帶狀態(tài)（ VG=0 ，Vs=0） （3）多子耗盡狀態(tài)VG 0，能帶向下彎曲,表面耗盡VS0,（4）少子的反型狀態(tài)，強反型時條件：Vs 2V B， 能帶向下彎曲劇烈,.,出現(xiàn)強反型后，耗盡層寬度達到極大值,2.理想MIS結構的電容電壓特性,表明MIS電容由CO和Cs串聯(lián)而成,常用歸一

14、化電容：,.,（1）當VG=0，理想MIS結構Vs0， 此電容叫平帶電容CFB,（2）當VG0時，p型半導體表面耗盡,（3）當VG 0時，p型半導體表面強反型,低頻時：,高頻時，反型層中電子數(shù)量跟不上變化?？傠娙萦珊谋M層電荷隨VG的變化決定。 耗盡層寬度達最大值xdm，Cs，C均最小且不變。,P型半導體MIS結構C-V曲線,.,3.金屬與半導體功函數(shù)差對MIS結構C-V特性的影響,如果WmWs, 當VG=0時，表面能帶向下彎曲。,為了恢復半導體表面平帶狀態(tài)，需外加一電壓，這個電壓叫平帶電壓VFB。,當功函數(shù)差和絕緣層電荷同時存在時，,5.表面載流子的有效遷移率,1）由于表面散射以及熱氧化時雜質(zhì)再分布的 影響，使得表面遷移率僅約體內(nèi)一半。 2）表面有效遷移率還與溫度有關。,4.減少Si-SiO2系統(tǒng)中的電荷的主要措施： 1. 防止沾污減少Na+ 等可動離子。 2.退火，熱處理減少固定電荷和陷阱電荷。 3.選100晶向的單晶硅減少界面態(tài)。,.,課堂思考題,什么是空間電荷區(qū)？如何才能在半導體表面形成正的和負的空間電荷區(qū)？ 說明表面勢Vs的物理意義，