第八章半导体表面与mis结构

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1、第八章半导体表面与MIS结构重点：表面空间电荷层的性质(表面电场效应)MIS结构的C-V特性(理想和非理性MOS电容)多子堆积状态平带状态多子耗尽状态少子反型状态硅–二氧化硅系统的性质平带电压金属绝缘层半导体欧姆接触C0CsVGMIS结构的等效电路MIS结构示意图VFB理想实际C/C00VGP型半导体MIS结构的C-V特性半导体表面效应支配着大部分半导体器件的特性。MOS（金属—氧化物—半导体）器件电荷耦合器件CCD表面发光器件等利用半导体表面效应半导体表面研究，半导体表面理论发展，对改善器件性能，

2、提高器件稳定性，探索新型器件等具有重要意义。OSM最初的MIS结构是由Moll在1959年作为变容二极管的电压控制电容提出的。Al/SiO2/SiMoll当时已经建议由MIS电容监控氧化硅质量。OSM1962年，Moll的两位研究生发表的博士论文（Aninvestigatingofsurfacestateatasiliconsilicondioxideinterfaceemployingmetal-oxide-silicondiodes,SolidStateElectronics,5(5),Lewi

3、sM.Terman,1962)中对MIS中界面束缚态进行详尽研究在两种材料边界和界面中，束缚态称为界面陷阱。由C-V特性曲线数据给出界面陷阱总密度。OSM20世纪70年代起，HFCV普遍用作VLSI制造过程监控方法。1965年GROVE等给出正确HFCV物理模型和理论(Investigatingofthermallyoxidizedsiliconsurfaceusingmetal-oxide-semiconductorstructures,J.Appl.Phys.33(8),1964)。1970年S

4、mith在贝尔实验室发明CCD器件。作为半导体表面研究，难度大。侧重于：实际表面表面态概念表面电场效应硅－二氧化硅系统性质MIS（指金属—绝缘层—半导体）结构的电容—电压特性等表面效应8.1表面态表面处晶体的周期场中断；表面往往易受到损伤、氧化和沾污，从而影响器件的稳定性；表面往往要特殊保护措施，如钝化表面是器件制备的基础，如MOSFET等一、表面的特殊性二、理想表面理想一维晶体表面态：薛定谔方程为xV(x)V0E0aE

5、波函数指数衰减，说明电子分布几率主要集中在x=0处，即电子被局限在表面附近每个表面原子对应禁带中一个表面能级，这些能级组成表面能带。晶格表面处突然终止，在晶格表面存在未饱和的化学键，称为悬挂键，与之对应的电子能态称为表面态。SiSiSiSiSiSiSi硅表面悬挂键示意图悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴获得电子—带负电获得空穴—带正电硅表面原子密度∽1015cm-2,悬挂键密度也应为∽1015cm-2三、真实表面1.清洁表面：在超高真空(UHV)(～10-9Torr)环境中解理晶体，可以在短时

6、间内获得清洁表面，但与理想表面不同：解理后的表面易形成再构2.真实表面自然氧化层（~nm）－大部分悬挂键被饱和，使表面态密度降低表面态密度1010~1012cm-2（施主型、受主型）3.界面掺杂不同－Sipn(同质结)、不同半导体－异质结金半接触－肖特基接触晶粒间界－多晶结构金属－氧化物－半导体－MOSFET8.2表面电场效应如图装置是MIS结构。(Metal-Insulator-Semiconductor)中间以绝缘层隔开的金属板和半导体衬底组成的，在金/半间加电压时即可产生表面电场。结构简单，影

7、响因素多。（功函数、带电粒子，界面态等）金属绝缘层半导体欧姆接触现在理想情况假设MIS结构满足以下条件：（1）Ws=Wm；（2）在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电；（3）绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。讨论理想MIS结构金/O/半间加电压产生垂直于表面的电场时，半导本表面层内的电势及电荷分布情况。金属绝缘层半导体欧姆接触8.2.1空间电荷层及表面势VG=0时，理想MIS结构的能带图MISEFmECEiEFsEVECIEVI金属绝缘层半导体欧姆接触VG>0时，MIS++++----金属绝缘

8、层半导体欧姆接触ECEVEFQmQsMIS结构实际是一个电容加电压后，金属和半导体两个面内要充电(Qm=-Qs)金属中，自由电子密度高，电荷分布在一个原子层的厚度范围之内半导体中，自由载流子密度低，对应Qs的电荷分布在一定厚度的表面层，这个带电的表面层叫空间电荷区VG>0时，MIS结构的能带图,空间电荷区能带发生弯曲MIS++++----0dECEVEF0dqVS空间电荷区内：1)空间电场逐渐减弱2)电势随距离逐渐变化能带弯曲表面势(VS)：空间电荷区两端的电势差表面