半导体器件物理之半导体接触

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1、第二章 半导体接触,2,主要内容,pn结 异质结 金属-半导体接触 半导体-氧化物接触, MIS,3,半导体器件的四种基础结构,在p型和n型半导体之间形成的“结”，具有整流特性，广泛用于电子电路的整流、开关及其他工作中。若再加一层p型半导体，两个p-n结构成p-n-p双极晶体管。,金属-半导体界面，,在金属和半导体之间形成的一种紧密接触。是第一个被研究的半导体器件。可作为整流接触-肖特基势垒，或用作欧姆接触。也可以得到其他许多器件，如MESFET。,p-n 结,4,即在两种不同的半导体之间形成的界面，可构成双异质结激光器等。,如果绝缘体用氧化物，即MOS结构, 可视为一个金属-氧化物界面和一个

2、氧化物-半导体界面的结合,ULSL中最重要的MOSFET器件的基本结构。,异质结界面,金属-绝缘体-半导体结构,2.1 p - n 结二级管,6,主要内容,基本器件工艺介绍 耗尽区和耗尽电容 I-V特性 结的击穿 瞬变特性 端功能,7,1。基本器件工艺,介绍几种器件制备方法 合金法,得到的结的位置严格依赖于温度-时间合金过程，难以精确控制。,8,固态扩散法,1。基本器件工艺,能精确控制杂质分布,扩散台面结法,9,固态扩散法,1。基本器件工艺,采用绝缘层的方法,平面工艺是制备半导体器件的主要方法,外延衬底,10,与扩散（10000C) 相比，是低温工艺，可在室温下进行。,离子注入-更精确地控制杂

3、质的分布,1。基本器件工艺,在低于700度下退火，去除晶格损伤,11,平面工艺中的主要工序 外延生长,1。基本器件工艺,可用气相生长技术形成，例如：,热CVD,MBE,MOCVD,也可用液相技术形成，,化学气相沉积,物理气相沉积,精确控制组分和薄膜厚度-原子层生长,12,1。基本器件工艺,氧化-二氧化硅,干氧生长,13,水汽氧化,氧化-二氧化硅,1。基本器件工艺,14,1。基本器件工艺,杂质扩散,一维扩散方程，菲克定律,杂质总量为S的“有限源”情况： 高斯函数,表面浓度为Cs的“恒定表面浓度“情形： 余误差函数,扩散系数D依赖于温度和杂质浓度，在低浓度情况下，D与杂质无关。,杂质扩散系数D与杂

4、质固溶度有关,15,1。基本器件工艺,离子注入：为改变衬底的电学、冶金学或化学性质而将带电高能原子引入衬底。,典型离子能量：10-400keV之间,典型离子剂量：1011-1016 离子数/cm2,优点： 精确控制总剂量，深度分布和面均匀性 低温工艺 注入结能与掩膜边缘自对准,激光处理： 用高强度的激光辐射可去除离子注入损伤，使半导体层再结晶。,缺点： 离子注入损伤,16,杂质分布描述,突变结合金结、浅扩散结和离子注入结,1。基本器件工艺,突变结近似的杂质分布。,17,1。基本器件工艺,线性缓变结深扩散结,线性缓变结近似的杂质分布。,18,1。基本器件工艺,通过绝缘层上的窗口向半导体本底扩散形

5、成p-n结时，杂质要向下扩散，也要向侧向扩散：柱形边缘分布和球形角分布,在扩散掩膜边缘附近形成结弯曲的平面 扩散工艺。,通过矩形掩膜扩散形成近似的柱面和球面区。,19,p-n结,p-n 结理论是半导体器件物理的基础。,1。p-n 结的理想静态和动态特性。,2。讨论耗尽层内的产生和复合。,PN结两侧电子和空穴浓度相差悬殊 P区空穴和N区电子向对方扩散， 空间电荷区 自建电场 NP,20,2。耗尽区和耗尽电容- 突变结,当半导体的杂质浓度从受主杂质NA突变为施主杂质ND时，得到突变结.,空间电荷分布,21,热平衡状态（无外电压，没有电流）：,净电子和空穴电流为零，要求费米能级在整个样品中为常数。,

6、根据电流密度方程：,同理,22,空间电荷区总宽度,空间电荷分布：,23,电场分布：,泊松方程+边界条件,根据泊松方程，得到：,积分，得到电场分布,X=0处的最大电场,24,两次积分，得到电势分布,电势，Vbi 为内建势,电势分布:,内建势,总的耗尽层宽度,25,能带：,平衡时，,结两侧空穴密度之间和电子密度之间的关系,能带图,内建势,26,Ge， Si， GaAs单边突变结的内建势,27,耗尽层的宽度,双边突变结,单边突变结,半导体的特征长度，德拜长度,考虑到多数载流子分布尾，经过修正的单边突变结的W：,28,Si的德拜长度与掺杂浓度的关系,29,Si单边突变结耗尽层宽度和单位面积耗尽层电容与掺杂浓度的关系。,30,单位面积的耗尽层电容定义为：,单边突变结，单位面积电容：,F/cm2,反向和正向偏置,耗尽层电容：,1/C2V 直线， 斜率：衬底杂质浓度， 1/C2=0时截距：内建势。,31,Si单边突变结耗尽层宽度和单位面积耗尽层电容与掺杂浓度的关系。,32,泊松方程:,2。耗尽区和耗尽电容- 线性缓变结,杂质分布:,杂质浓度梯度,积分,得到电场分布:,最大电场:,33,两次积分,得到内建势:,线性缓变结的耗尽层电容:,34,Ge, Si 和GaAs 线性缓变结的梯度电压.,35,Si线性缓变结的耗尽层宽度和单位面积耗尽层电容与杂质浓度梯度的关系.,虚线为零偏压情形,