第六章 半导体界面问题总结
半导体器件界面态及其稳定性问题分析
半导体器件界面态及其稳定性问题分析在半导体器件中，界面态是影响器件性能和稳定性的重要因素。
界面态是指在半导体与金属或半导体与绝缘体之间的接触面上形成的能级。
这些界面态在半导体器件中的存在对电子传输、电荷注入和空间电荷区域的形成有着重要影响，从而对器件的性能和稳定性产生显著影响。
界面态的稳定性问题在半导体器件研究中被广泛关注。
首先，界面态的产生和分布状况直接影响半导体器件的效率和工作性能。
例如，在MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）中，界面态会产生能级捕获和能级发射作用，导致电子在界面处的散射和损失。
这会增加电流漏泄并导致器件性能下降。
其次，界面态的电子陷阱效应会导致半导体器件的损耗增加和寿命降低。
界面态可以捕获电荷，并在器件中产生陷阱能级。
这些陷阱能级会影响半导体的导电性，并导致电流流失和能量损耗。
在集成电路的设计和制造过程中，陷阱态的存在是一个严重的问题，因为它们可能导致器件的失效和寿命缩短。
界面态的形成和稳定性问题涉及多个因素。
一是半导体和金属或绝缘体材料之间的晶格不匹配。
由于晶格参数的差异，界面处会产生应变和缺陷。
这些缺陷在界面态的形成中起到关键作用。
二是处理和制备过程中的污染和缺陷引入。
例如，在半导体制造过程中，表面清洗、沉积和退火等处理会导致杂质和缺陷的引入，进而影响界面态的形成和稳定性。
三是电荷注入和扭曲作用。
当电流经过界面时，会发生电荷注入和电场扭曲，这些效应会改变界面态的能级位置和能带结构。
针对界面态及其稳定性问题，研究者采取了多种方法和技术来解决。
一种常用的方法是通过材料界面的修饰和改性来改善界面态的稳定性。
例如，通过在界面处引入合适的介质层或夹层材料，可以改变界面态的分布和能级位置，从而减少电子陷阱效应。
另一种方法是通过优化器件设计和制造工艺来减少界面态的形成和传输。
例如，通过控制处理参数、增加氧化层的厚度和强度，可以降低界面态的密度和陷阱能级的形成。
同时，建立适当的测试和评估体系对界面态进行研究也是解决稳定性问题的重要途径。
半导体物理 第六章
p( x ) pn 0 exp(
qVD qV( x ) k0T
)
n( x ) nn 0 exp(
qV( x ) qVD k0T
)
根据电子浓度表达式： x=xn ， V(x)=VD， n( xn ) nn 0 ，即n区多子浓度。 x=－xp，V(x)=0，有
n( x p ) nn 0 exp( qVD ) n p0 k0T
nppnjjxjx???2???????????x??ppeeppp2理想pn结电流电压方程的推导思路4总电流3扩散电流连续性方程2连续性方程nnpnpxx?dpxjxqddx??xppnpnxxdnjxqddx????470???????pxnpnxpnpxpxepd??00expdppnqvqvnxnkt????1边界条件玻耳兹曼边界条件而在体内载流子浓度等于平衡状态载流子浓度00expdnnpqvqvpxpkt???xpxn可看出
7
E内
空间电荷区 空间电荷区中的电荷产生了从n区指向p区的电场－内建电场。 内建电场作用 载流子作漂移运动。因电子和空穴的漂移运动方向与它们 各自的扩散运动方向相反。因此，内建电场起阻碍电子和 空穴继续扩散的作用。
8
载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡，无外加电压的 情况下，电子和空穴的扩散电流和漂移电流的大小相等、 方向相反而互相抵消。没有电流流过p－n结。这时空间电 荷的数量一定，空间电荷区保持一定的宽度．其中存在一 定的内建电场。
d ln(n ) 1 dEF dEi ( ) dx k 0T dx dx
Jn dEF dx n n
或nn dEF Jn dx
dEi dV q qE dx dx
14
同理
第六章半导体界面问题概要
半导体体内载流子的再分布会形成载流子耗 尽或积累，并在耗尽区或积累区发生能带弯 曲，而在金属体内的载流子浓度和能带基本 没有变化。
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★ 金属和半导体接触电势差
❖一种典型情况: 讨论M/n型半导体, Wm>Ws(阻挡层）
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②半导体一边的势垒高度: VD =∣Vms∣
③表面势—半导体表面相对于体内的电势 Vs= Vms
④金属一边的势垒高度(肖特基势垒--SB): eΦSB = eΦns = Wm –χ
♦常常选择ΦSB为描述金属/半导体接触 势垒的基本物理量(ΦSB几乎与外加电压 无关)
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M/S接触的形成
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M/S结构通常是通过在干净的半导体表面淀积金 属而形成。利用金属硅化物（Silicide）技术可 以优化和减小接触电阻，有助于形成低电阻欧姆 接触。
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金属功函数Z
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关于功函数的几点说明: ① 对金属而言, 功函数Wm可看作是固定 的. 功函数Wm标志了电子在金属中被束 缚的程度. 对半导体而言, 功函数与掺杂有关 ② 功函数与表面有关. ③ 功函数是一个统计物理量
①接触电势差--为了补偿两者功函数之差, 金属与半导体之间产生电势差: Vms=(Ws –Wm)/e ♦当Wm>Ws , Vms<0 (金属一边低电势) （反阻挡层） ♦通常,可认为接触电势差全部降落于空 间电荷区.
半导体的表面以及界面及接触现象
外加反向偏压时，VG<0，电场由体内指 向表面，VS<0。
2．能带弯曲和载流子浓度的变化
(1) 能带弯曲
有表面势存在时，空间电荷区内的电子受到一 个附加电势的作用，电子的能量变为： EC(x)=ECqV(x)、EV(x)=EVqV(x)
●VG>0，VS>0时，取负号，空间电荷区的能 带从体内到表面向下弯曲 ●VG<0，VS<0时，取正号，空间电荷区的能 带从体内到表面向上弯曲
--
Ev
电离受主 表面态
金属 绝缘体
d
半导体
欧姆接触
MIS结构
理想的MIS结构: 金属与半导体间功函数差为零 绝缘层中无电荷且绝缘层完全不导电 绝缘层与半导体界面处不存在任何界面态
MIS结构是一电容 在金属与半导体间加电压后, 金属和半导体
相对的两个面上被充电, 符号相反 金属中, 电荷分布在一个原子层范围内;
半导体中, 电荷分布在一定厚度的表面层内--空间电荷区
硅表面悬挂键
由于悬挂键的存在，表面 可与体内交换电子和空穴。
理想表面实际上不存在
共价半导体的表面再构现象: 近表面几个原子厚度的表面层中, 离子
实所受的势场作用不同于晶体内部, 使得晶 体的三维平移对称性在表面层中受到破坏, 表面上形成新的原子排列结构, 这种排列具 有沿表面的二维平移对称性.
例如: 对硅(111)面，在超高真空下,可观察到 (7*7)结构，即表面上形成以(7*7)个硅 原子为单元的二维平移 对称性结构。
二、实际的MIS结构的C-V特性
1．金属和半导体功函数的影响
(EF)M>(EF)S WM<WS
Wm E0 (EF)m Ws E0 (EF)s
半导体物理知识点及重点习题总结
半导体物理知识点及重点习题总结基本概念题：第⼀章半导体电⼦状态1.1 半导体通常是指导电能⼒介于导体和绝缘体之间的材料，其导带在绝对零度时全空，价带全满，禁带宽度较绝缘体的⼩许多。
1.2能带晶体中，电⼦的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。
这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。
1.3导带与价带1.4有效质量有效质量是在描述晶体中载流⼦运动时引进的物理量。
它概括了周期性势场对载流⼦运动的影响，从⽽使外场⼒与加速度的关系具有⽜顿定律的形式。
其⼤⼩由晶体⾃⾝的E-k 关系决定。
1.5本征半导体既⽆杂质有⽆缺陷的理想半导体材料。
1.6空⽳空⽳是为处理价带电⼦导电问题⽽引进的概念。
设想价带中的每个空电⼦状态带有⼀个正的基本电荷，并赋予其与电⼦符号相反、⼤⼩相等的有效质量，这样就引进了⼀个假想的粒⼦，称其为空⽳。
它引起的假想电流正好等于价带中的电⼦电流。
1.7空⽳是如何引⼊的，其导电的实质是什么？答：空⽳是为处理价带电⼦导电问题⽽引进的概念。
设想价带中的每个空电⼦状态带有⼀个正的基本电荷，并赋予其与电⼦符号相反、⼤⼩相等的有效质量，这样就引进了⼀个假想的粒⼦，称其为空⽳。
这样引⼊的空⽳，其产⽣的电流正好等于能带中其它电⼦的电流。
所以空⽳导电的实质是能带中其它电⼦的导电作⽤，⽽事实上这种粒⼦是不存在的。
1.8 半导体的回旋共振现象是怎样发⽣的（以n型半导体为例）答案：⾸先将半导体置于匀强磁场中。
⼀般n型半导体中⼤多数导带电⼦位于导带底附近，对于特定的能⾕⽽⾔，这些电⼦的有效质量相近，所以⽆论这些电⼦的热运动速度如何，它们在磁场作⽤下做回旋运动的频率近似相等。
当⽤电磁波辐照该半导体时，如若频率与电⼦的回旋运动频率相等，则半导体对电磁波的吸收⾮常显著，通过调节电磁波的频率可观测到共振吸收峰。
这就是回旋共振的机理。
1.9 简要说明回旋共振现象是如何发⽣的。
半导体样品置于均匀恒定磁场，晶体中电⼦在磁场作⽤下运动运动轨迹为螺旋线，圆周半径为r ，回旋频率为当晶体受到电磁波辐射时，在频率为时便观测到共振吸收现象。
半导体工艺第六章
半导体工艺第六章第六章习题6-1 解释欧姆接触，并说明形成欧姆接触的常用方法。
欧姆接触是指金属与半导体之间的电压与电流的关系具有对称和线性关系，而且接触电阻尽可能低，不产生明显的附加阻抗。
常用方法：扩散法和合金法扩散法：是在半导体中先扩散形成重掺杂区以获得N+N或P+P 的结构，然后使金属与重掺杂的半导体区接触，形成欧姆接触。
合金法：是利用合金工艺对金属互联线进行热处理，使金属与半导体界面形成一层合金层或化合物层，并通过这一层与表面重掺杂的半导体形成良好的欧姆接触。
6-2 列出并描述集成电路制造中对金属薄膜的要求。
要求：（1）具有高的导电率和纯度（2）与下层衬底（通常是二氧化硅或氮化硅）具有良好的粘附性（3）与半导体材料连接时接触电阻低（4）能够淀积出均匀而且没有“空洞”的薄膜，易于填充通孔（5）易于光刻和刻蚀，容易制备出精细图形（6）很好的耐腐蚀性（7）在处理和应用过程中具有长期的稳定性6-3 列出半导体制造中使用的金属种类，并说明每种金属的用途。
种类：铝、铝铜合金、铜、阻挡层金属、硅化物和钨铝：作为金属互连的材料，以薄膜的形式在硅片中连接不同器件。
铝铜合金：有效解决电迁徙问题。
铜：作为互连线。
阻挡层金属：防止上下层材料相互扩散。
硅化物：减小接触电阻。
钨：填充通孔。
6-4 解释铝已被选择作为微芯片互连金属的原因。
（1）较低的电阻率（2）铝价格低廉（3）工艺兼容性（4）铝膜与下层衬底（通常是硅、二氧化硅或氮化硅）具有良好的粘附性6-5 哪种金属已经成为传统互连金属线?什么是它的取代物？铝已经成为传统互连金属线，铝铜合金是它的取代物6-6 描述结尖刺现象，如何解决结尖刺问题？由于硅在铝中的溶解度比较高，形成合金时，硅会从衬底向铝中溶解，这样就在接触区下层的硅中留下空洞，从而有可能发生尖刺效应。
解决方法：在接触区引入阻挡层金属可阻止上下层材料互相混合。
6-7 描述电迁徙现象，如何解决电迁徙现象？电迁徙现象:在大电流密度的情形下，大量电子对金属原子的持续碰撞，会引起原子逐渐而缓慢的移动。
半导体小结与重要术语解释汇总..
半导体小结与重要术语解释汇总..第一章固体晶体结构小结1.硅是最普遍的半导体材料2.半导体和其他材料的属性很大程度上由其单晶的晶格结构决定。
晶胞是晶体中的一小块体积，用它可以重构出整个晶体。
三种基本的晶胞是简立方、体心立方和面心立方。
3.硅具有金刚石晶体结构。
原子都被由4个紧邻原子构成的四面体包在中间。
二元半导体具有闪锌矿结构，它与金刚石晶格基本相同。
4.引用米勒系数来描述晶面。
这些晶面可以用于描述半导体材料的表面。
密勒系数也可以用来描述晶向。
5.半导体材料中存在缺陷，如空位、替位杂质和填隙杂质。
少量可控的替位杂质有益于改变半导体的特性。
6.给出了一些半导体生长技术的简单描述。
体生长生成了基础半导体材料，即衬底。
外延生长可以用来控制半导体的表面特性。
大多数半导体器件是在外延层上制作的。
重要术语解释1.二元半导体：两元素化合物半导体，如GaAs。
2.共价键：共享价电子的原子间键合。
3.金刚石晶格：硅的院子晶体结构，亦即每个原子有四个紧邻原子，形成一个四面体组态。
4.掺杂：为了有效地改变电学特性，往半导体中加入特定类型的原子的工艺。
5.元素半导体：单一元素构成的半导体，比如硅、锗。
6.外延层：在衬底表面形成的一薄层单晶材料。
7.离子注入：一种半导体掺杂工艺。
8.晶格：晶体中原子的周期性排列9.密勒系数：用以描述晶面的一组整数。
10.原胞：可复制以得到整个晶格的最小单元。
11.衬底：用于更多半导体工艺比如外延或扩散的基础材料，半导体硅片或其他原材料。
12.三元半导体：三元素化合物半导体，如AlGaAs。
13.晶胞：可以重构出整个晶体的一小部分晶体。
14.铅锌矿晶格：与金刚石晶格相同的一种晶格，但它有两种类型的原子而非一种。
第二章量子力学初步小结1.我们讨论了一些量子力学的概念，这些概念可以用于描述不同势场中的电子状态。
了解电子的运动状态对于研究半导体物理是非常重要的。
2.波粒二象性原理是量子力学的重要部分。
半导体物理第六章习题答案
第6章 p-n 结1、一个Ge 突变结的p 区n 区掺杂浓度分别为N A =1017cm -3和N D =5´1015cm -3，求该pn 结室温下的自建电势。
解：pn 结的自建电势结的自建电势 2(ln)D A D iN N kT V qn=已知室温下，0.026kT =eV ，Ge 的本征载流子密度1332.410 cm i n -=´代入后算得：1517132510100.026ln0.36(2.410)D V V ´´=´=´4.4.证明反向饱和电流公式（证明反向饱和电流公式（证明反向饱和电流公式（6-356-356-35）可改写为）可改写为）可改写为2211()(1)i s n n p p b k T J b q L L s s s =++ 式中npb m m =，n s 和p s 分别为n 型和p 型半导体电导率，i s 为本征半导体电导率。
证明：将爱因斯坦关系式p p kT D qm =和nnkT D q m =代入式（式（6-356-356-35））得 0000()p n p n S p n n pn p n p p nn p J kT n kT p kT L L L L m m m m m m =+=+因为002i p p n n p=，002i n nn p n =，上式可进一步改写为，上式可进一步改写为00221111()()S n p i n p i n p p p n n n p p nJ kT n qkT n L p L n L L m m m m m m s s =+=+ 又因为又因为()i i n p n q s m m =+22222222()(1)i i n p i p n q n q b s m m m =+=+即22222222()(1)i i i n p p n q q b s s m m m ==++ 将此结果代入原式即得证将此结果代入原式即得证2222221111()()(1)(1)n p i i Sp np pn np pnqkT b kT J q b LL q b L L m m s s mssss=+=××+++ 注：严格说，迁移率与杂质浓度有关，因而同种载流子的迁移率在掺杂浓度不同的p 区和n区中并不完全相同，因而所证关系只能说是一种近似。
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图7-1
金属功函数Z
关于功函数的几点说明:
① 对金属而言, 功函数Wm可看作是固定 的. 功函数Wm标志了电子在金属中被束 缚的程度.
对半导体而言, 功函数与掺杂有关
② 功函数与表面有关.
③ 功函数是一个统计物理量
对半导体,电子亲和能χ是固定的,功函 数与掺杂有关
对M / n型半导体: ♦ Wm>Ws 能带上弯--电子势垒 空间电荷—电离施主 ♦ Wm<Ws 能带下弯--电子势阱 空间电荷—电子积累 势垒—阻挡层, 势阱—反阻挡层
Wm>Ws
电子势垒
Wm<Ws
电子势阱
对M / p型半导体: ♦ Wm>Ws 能带上弯--空穴势阱 空间电荷—空穴积累 ♦ Wm<Ws 能带下弯--空穴势垒 空间电荷—电离受主
图7-10
要定量讨论I-V特性,必须讨论电子是怎样 越过势垒的. 两种近似模型:
♦扩散理论—势垒区较厚,制约正向电流的 主要是电子在空间电荷区的扩散过程
♦热电子发射理论—载流子的迁移率较高, 电子能否通过势垒区,主要受制于势垒高 度.
②热电子发射 理论的结果
eV
j jsT (e kT 1)
体表面产生空间电荷区, 能带弯曲.
以M/n型半导体为例, 且Wm>Ws . ① 单独考虑表面态:表面态在能隙中形成一
个能带. ♦设表面态的电中性能级距价带顶为eΦ0 由表面态的带电状态, 表面态可分为:
♦ 施主型表面态—被电子占据时, 呈电 中性, 失去电子后,呈正电性.
♦ 受主型表面态—空态时, 呈电中性, 得 到电子后,呈负电性.
eVD =Eg –eΦ0 –(Ec –EF)n ♦ 对p型半导体:
eVD =eΦ0 –(EF –EV)p
图7-8
③考虑金属/半导体:
当带有表面态的半导体与金属接触, 要 考虑这三者之间的电子交换.
平衡时,金属,表面态和半导体具有统一 的EF .
对金属/半导体接触势垒的小结: 仍以M/n-S, 势垒接触(Wm>Ws)为例: eΦSB =eVD+(Ec –EF)n ♦ 当不考虑表面态: eΦSB = Wm –χ ♦ 当表面态的密度很高: eΦSB =Eg – eΦ0 --肖特基势垒高度与金属的Wm无关.
欧姆接触的要求: 接触电阻应小到与半导 体的体电阻相比可以忽略(不影响器件的 电学特性).
图7-3
表7-1 半导体功函数与杂质浓度的关系 ♦ n型半导体: WS=χ+(EC-EF) ♦ p型半导体: WS=χ+[Eg-(EF-EV)]
★ 金属和半导体接触电势差
❖一种典型情况: 讨论M/n型半导体, Wm>Ws(阻挡层）
①接触电势差--为了补偿两者功函数之差, 金属与半导体之间产生电势差: Vms=(Ws –Wm)/e ♦当Wm>Ws , Vms<0 (金属一边低电势) （反阻挡层） ♦通常,可认为接触电势差全部降落于空 间电荷区.
②半导体一边的势垒高度:
VD =∣Vms∣ ③表面势—半导体表面相对于体内的电势
Vs= Vms
④金属一边的势垒高度(肖特基势垒--SB):
eΦSB = eΦns = Wm –χ ♦ 常常选择ΦSB为描述金属/半导体接触 势垒的基本物理量(ΦSB几乎与外加电压 无关)
能带
电荷分布 电场分布
★ 金属/半导体接触的几种情况
♦ 一般情况下, 可介于二者之间,则有: eΦSB =( 1-S ) ( Eg – eΦ0 ) +S ( Wm –χ )
♦ S称为界面行为因子(与半导体材料有 关,与制造工艺有关)
• 当表面态密度很小, S1
• 当表面态密度很大, S0
★ I-V特性的定性图象
①定性图象--阻挡层的整流作用: (仍讨论M/n-S 形成电子势垒) M/S接触是多子器件. 对M/n-S 形成的 电子势垒, 其输运特性主要由电子决定. ♦ 正向偏置, 半导体一侧电子势垒降低, 可 形成较大的正向电流. ♦ 反向偏置, 半导体一侧电子势垒升高, 反 向电流很小. 当反向偏置加大,反向电流可 趋于饱和.
第六章 半导体界面问题概要
§1 金属-半导体接触和肖特基势垒 §2 半导体表面电场效应 §3 MOS结构的C-V特性
§ 1 金属-半导体接触和肖特基势垒
(1) 金属和半导体的功函数 (2) 金属-半导体接触电势差 (3) 表面态对接触势垒的影响 (4) I-V特性的定性图象
★ 金属和半导体的功函数 功函数: W= EVAC-EF, ( EVAC --真空中静止电子的能量,亦记作E0 ) 功函数给出了固
对大多数半导体,表面态电中性能级距价
带顶大约有 eΦ0 = ⅓ Eg
♦对p型半导体, 本征表面态常为施主型
♦对n型半导体, 本征表面态常为受主型
图7-7
②半导体与其表面态通过交换电子, 达到相 互平衡, 具有统一的EF .
当表面态的密度很大, EF被表面态钉扎 (钉扎于表面态电中性能级) . ♦ 对n型半导体:
♦ 其中
jsT
A T e
2
eSB
kT
♦ 有效里查孙常数 (书上,表7-4)
A 4 ek 2m
h3
★ 肖特基势垒二极管(SBD)
p-n结二极管
eV
J JS (ekT 1),
JS
eD L
pn0
eD L
np0
肖特基势垒二极管
eV
j jsT (eSB
kT
,
A
4 ek 2m
h3
ⓐ肖特基势垒二极管是多子器件, 有优良的 高频特性.
一般情况下, 不必考虑少子的注入和复合. ⓑ肖特基势垒二极管有较低的正向导通电
压.
反向击穿电压较低,反向漏电较高. ⓒ肖特基势垒二极管具有制备上的优势.
★欧姆接触
欧姆接触是金属-半导体接触的另一个重 要应用—作为器件引线的电极接触(非整 流接触).
Wm<Ws
空穴势垒
Wm>Ws
空穴势阱
★ 表面态对接触势垒的影响
理论上, 金属一边的势垒高度
eΦSB = eΦns = Wm –χ 实际上, ΦSB常常与金属的种类关系不太
大,而主要取决于表面态(界面态)的影响: 半导体表面处, 禁带中存在表面态.
半导体与其表面态通过交换电子, 达到
相互平衡 (由于表面态的存在,)半导