6第七章金属半导体接触和mis结构.ppt

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1、第七章 金属-半导体接触和MIS结构,微电子学院,7.1 金属-半导体接触 金属-半导体接触：指的是有金属和半导体相互接触而形成的结构。现代半导体工艺中，金属-半导体接触是通过在半导体表面真空蒸发一金属表面形成，常用的金属有铝和金。金属-半导体接触可形成整流特性接触和欧姆接触。整流特性接触：金属细丝与半导体表面形成整流接触。欧姆接触：电极连接作用，等效一个小电阻。,7.1.1 功函数的概念固体中的共有化电子虽然能在固体中自由运动，但绝大多数所处的能级都低于体外能级。要使电子从固体中逸出，必须由外界给它以足够的能量。固体功函数：固体中位于费米能级处的一个电子移到体外自由空间所作的功。（逸出功）W

2、=E0-EfE0:真空中的静止电子能量；Ef:费米能级。,Ef,（1）金属材料的功函数绝对零度时，金属中的电子填满了费米能级 EF以下的所有能级，而高于 EF的能级则全部是空着的。一定温度下，只有EF附近的少数电子受到热激发，由低于 EF的能级跃迁到高于EF的能级上去，但是绝大部分电子仍不能脱离金属而逸出体外。一个电子从金属跃迁到体外所需最小能量Wm：Wm=E0-Efm,其量值约为几个电子伏特。,Ec,Ev,功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，Wm越大，电子越不容易离开金属。,（2）半导体材料的功函数在半导体中，导带底Ec和价带顶Ev一般都比E0低几个电子伏特。要使电子从半导体逸出，也必

3、须给它以相应的能量。和金属类似可以定义半导体的功函数：Ws=E0-Efs,半导体费米能级与半导体型号和杂质浓度有关，功函数也与半导体型号和杂质浓度有关。,由于p型半导体的费米能级较低，所以功函数比n型半导体大；p型半导体的杂质浓度越高功函数越大，n型半导体则相反。,7.1.2金属-半导体接触 金属-半导体接触：是通过在半导体表面真空蒸发一金属表面形成，常用的金属有铝和金。不同伏安特性：（1）半导体掺杂浓度低（低于5*1023/cm3），类似p-n结单向导电性。（红）（2）掺杂浓度很高（高于1026/cm3），电流随电压增加（正向或反向），电流成倍增加，相当于一个很小电阻。绿,x,y,整流效应（

4、单向导电）的金属和半导体接触，称为肖特基接触；具线性和对称的电压电流关系为欧姆接触。,7.1.3 金属-半导体接触的能带金属-半导体接触，费米能级通过功函数表示，功函数大，费米能级Ef位置低，功函数小，费米能级Ef位置高。（1）金属-N型半导体材料接触1）接触前金属的功函数大于半导体的功函数，费米能级差等于功函数差。Efs-Efm=Wfm-Wfs,金属,E0,Efm,Efs,Ev,Ec,金属的费米能级低于半导体费米能级。半导体中电子向金属扩散，金属表面带负电，半导体表面带正电。正负电荷相等，保持电中性，统一的费米能级。,金属,E0,Efm,Efs,Ev,Ec,Efm,Efs,电子流动后，N半导

5、体表面留下施主离子正电荷，金属一侧电子层，形成空间电荷区。形成内建电场。与P-N结相似，内建电场产生势垒，称为金属-半导体接触表面势垒，又称电子阻挡层。,金属,E0,Efs,Ev,Ec,Efm,Efs,E,电子阻挡层,Efm,达到平衡，从N型半导体扩散（电场作用力）向金属和从金属漂移（浓度差）到半导体的电子数相等。势垒两边电势差称为金属-半导体接触电势差Vms=(Efs-Efm)/q=(Wfm-Wfs)/q,2）接触前金属的功函数小于半导体的功函数，金属费米能级高。金属表面形成高密度空穴层，半导体侧形成电子积累区，电子高导电率的空间电荷区，又称高电子电导区，或反阻挡区。2、金属与P型半导体接触

6、类似，形成空穴阻挡区和高电导区。（阅读5分钟）,金属,E0,Efs,Ev,Ec,Efm,Efs,E,高电子电导区,Efm,7.1.4金属-半导体接触整流特性在金属和N半导体之间加电压，影响内建电场和表面施垒。1）金属的功函数大于N型半导体的功函数，金属接正极，半导体接负极。外电场与内建电场相反，抵消部分，电子阻挡层变薄，电子从半导体流向金属。电压增加，电流随之增加。,2）金属的功函数大于N型半导体的功函数，金属接负极，半导体接正极。外电场与内建电场一致，电子阻挡层变厚，电子从半导体流向金属很少。电流几乎为0。与P-N结类似，具整流效应。整流特性金属-半导体接触，称为肖特基接触，肖特基二极管（S

7、BD）,肖特基二极管（SBD）特性：（1）高频性能好，开关速度快SBD电流取决于多数载流子的热电子发射；（功函数差）P-N结电流取决于非平衡载流子的扩散运动。（浓度差）SBD：不发生电荷存储效应；P-N结：电荷存储效应。电荷的积累和消失需要时间，限制高频和高速器件应用。（2）正向导通电压低SBD热电子发射代替P-N结非平衡载流子的扩散，载流子热运动速度比扩散速度高几个数量级。同样工作电流，SBD正向导通电压低。,7.2 欧姆接触欧姆接触：电流和电压关系遵循欧姆定律，欧姆接触好坏的参量是特征电阻，又称接触电阻。（好的接触，特征电阻小于10-7.cm）金属的功函数小于N型半导体的功函数、金属的功函

8、数小于P型半导体的功函数，形成高电导区（反阻挡层）。,金属的功函数小于N型半导体的功函数,N型半导体,理论上，选择功函数比N型半导体的功函数小、功函数比P型半导体的功函数大的金属，形成高电导区（反阻挡层），阻止整流作用。,实际工艺，常用的欧姆接触制备技术有：低势垒接触、高复合接触、高掺杂接触。（1）低势垒接触选择功函数与半导体的功函数接近的金属，接触势垒小，足够载流子互相进入，整流效应小。金与P型硅势垒高度0.34 eV，Pt与P型硅势垒高度0.25 eV。（2）高复合接触金属与半导体的接触面附近，引入复合中心打磨（缺陷）、Cu、Au、Ni合金扩散（杂质），形成高复合接触，复合掉非平衡载流子，

9、没有整流作用。,（3）高掺杂接触金属与半导体的接触处，扩散或合金法，掺入高浓度施主或受主杂质，构成金属-N+-N或金属-P+-P结构，形成高掺杂接触。流过金属-N+-N接触电流主要是电子电流，空穴电流小，非平衡载流子（空穴）注入可忽略。接触处存在势垒，掺杂浓度高，势垒宽度薄，容易发生电子的隧道穿透，不能阻挡电子运动，实现欧姆接触。大多采用高掺杂接触。,隧道效应施加反向偏压时，势垒区能带发生倾斜；反向偏压越大，势垒越高，势垒区的内建电场也越强，势垒区的能带也越倾斜，甚至可以使得p区的价带顶比n区的导带底还要高。此时p区的价带中的电子将较容易到达n区的导带。这个效应称为隧道效应。当反向电压达到一定

10、程度，通过隧道效应产生的反向电流将突然增大，此时称为pn结的隧道击穿。,电子,变窄,7.3 金属-绝缘层-半导体结构（MIS）金属-绝缘层-半导体结构（MIS）：金属和半导体中插入绝缘层。集成电路CMOS核心单元。结构是一个电容，金属和半导体间加电压，金属表面一个原子层堆积高密度载流子。半导体中相反电荷产生。形成内建电场，空间电荷区两端产生电势差Vs，称为表面势。表面势：半导体表面相对于半导体体内的电势差。表面电势高于体内电势时，表面电势为正值，反之负值。,金属,绝缘层,半导体,MOSFET（金属-氧化层-半导体-场效晶体管）基本结构,绝缘栅场效应晶体管具有栅电极（用G 表示），源电极（用S

11、表示）和漏电极（用D表示）的三端器件。其中与半导体直接形成欧姆接触的两个电极分别称为源极和漏极，被限制在源极和漏极之间的导电区域称为沟道。与绝缘层接触并隔着绝缘层与源电极和漏电极间的沟道正对的称为栅极。,n沟道MOS管基本工作原理源极与衬底短接，当Vgs=0 时，由于PN结耗尽层的作用，漏源之间阻抗很大，无电流通过。当Vgs0 时，栅极上的正电荷在栅氧化层中产生一个垂直电场，空穴被排斥离开表面，随着Vgs的增大，当空穴被排斥尽，电子从n+源、漏区和衬底深处被吸引到表面。这时，在栅氧化层下的衬底表面出现反型层，是n型层，形成源区和漏区的通道，称为沟道。在漏、源电压VDS作用下，便有电子从源区经过沟道到达漏区形成沟道电流ID。阈值电压VT,开始形成反型层时的最小栅极电压。,栅极,源,漏,作业：P50，7-2、7-5,谢谢,