半導(dǎo)體器件物理之半導(dǎo)體接觸.ppt

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第二章半導(dǎo)體接觸,,2,主要內(nèi)容,pn結(jié)異質(zhì)結(jié)金屬-半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體-氧化物接觸,MIS,3,半導(dǎo)體器件的四種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),在p型和n型半導(dǎo)體之間形成的“結(jié)”，具有整流特性，廣泛用于電子電路的整流、開(kāi)關(guān)及其他工作中。若再加一層p型半導(dǎo)體，兩個(gè)p-n結(jié)構(gòu)成p-n-p雙極晶體管。,金屬-半導(dǎo)體界面，,在金屬和半導(dǎo)體之間形成的一種緊密接觸。是第一個(gè)被研究的半導(dǎo)體器件。可作為整流接觸-肖特基勢(shì)壘，或用作歐姆接觸。也可以得到其他許多器件，如MESFET。,p-n結(jié),4,即在兩種不同的半導(dǎo)體之間形成的界面，可構(gòu)成雙異質(zhì)結(jié)激光器等。,如果絕緣體用氧化物，即MOS結(jié)構(gòu),可視為一個(gè)金屬-氧化物界面和一個(gè)氧化物-半導(dǎo)體界面的結(jié)合,ULSL中最重要的MOSFET器件的基本結(jié)構(gòu)。,異質(zhì)結(jié)界面,金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),,2.1p-n結(jié)二級(jí)管,6,主要內(nèi)容,基本器件工藝介紹耗盡區(qū)和耗盡電容I-V特性結(jié)的擊穿瞬變特性端功能,7,1?；酒骷に?介紹幾種器件制備方法合金法,得到的結(jié)的位置嚴(yán)格依賴于溫度-時(shí)間合金過(guò)程，難以精確控制。,8,固態(tài)擴(kuò)散法,1?；酒骷に?能精確控制雜質(zhì)分布,擴(kuò)散臺(tái)面結(jié)法,9,固態(tài)擴(kuò)散法,1?；酒骷に?采用絕緣層的方法,平面工藝—是制備半導(dǎo)體器件的主要方法,外延襯底,10,與擴(kuò)散（10000C)相比，是低溫工藝，可在室溫下進(jìn)行。,離子注入-更精確地控制雜質(zhì)的分布,1?；酒骷に?在低于700度下退火，去除晶格損傷,11,平面工藝中的主要工序外延生長(zhǎng),1。基本器件工藝,可用氣相生長(zhǎng)技術(shù)形成，例如：,熱CVD,MBE,MOCVD,也可用液相技術(shù)形成，,,化學(xué)氣相沉積,物理氣相沉積,,精確控制組分和薄膜厚度-原子層生長(zhǎng),,12,1。基本器件工藝,氧化--二氧化硅,干氧生長(zhǎng),13,水汽氧化,氧化--二氧化硅,1。基本器件工藝,14,1。基本器件工藝,雜質(zhì)擴(kuò)散,一維擴(kuò)散方程，菲克定律,雜質(zhì)總量為S的“有限源”情況：高斯函數(shù),表面濃度為Cs的“恒定表面濃度“情形：余誤差函數(shù),擴(kuò)散系數(shù)D依賴于溫度和雜質(zhì)濃度，在低濃度情況下，D與雜質(zhì)無(wú)關(guān)。,雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)D與雜質(zhì)固溶度有關(guān),15,1?；酒骷に?離子注入：為改變襯底的電學(xué)、冶金學(xué)或化學(xué)性質(zhì)而將帶電高能原子引入襯底。,典型離子能量：10-400keV之間,典型離子劑量：1011-1016離子數(shù)/cm2,優(yōu)點(diǎn)：精確控制總劑量，深度分布和面均勻性低溫工藝注入結(jié)能與掩膜邊緣自對(duì)準(zhǔn),激光處理：用高強(qiáng)度的激光輻射可去除離子注入損傷，使半導(dǎo)體層再結(jié)晶。,缺點(diǎn)：離子注入損傷,16,雜質(zhì)分布描述,突變結(jié)—合金結(jié)、淺擴(kuò)散結(jié)和離子注入結(jié),1?；酒骷に?突變結(jié)近似的雜質(zhì)分布。,17,1?；酒骷に?線性緩變結(jié)—深擴(kuò)散結(jié),線性緩變結(jié)近似的雜質(zhì)分布。,18,1?；酒骷に?通過(guò)絕緣層上的窗口向半導(dǎo)體本底擴(kuò)散形成p-n結(jié)時(shí)，雜質(zhì)要向下擴(kuò)散，也要向側(cè)向擴(kuò)散：柱形邊緣分布和球形角分布,在擴(kuò)散掩膜邊緣附近形成結(jié)彎曲的平面擴(kuò)散工藝。,通過(guò)矩形掩膜擴(kuò)散形成近似的柱面和球面區(qū)。,19,p-n結(jié),p-n結(jié)理論是半導(dǎo)體器件物理的基礎(chǔ)。,1。p-n結(jié)的理想靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。,2。討論耗盡層內(nèi)的產(chǎn)生和復(fù)合。,PN結(jié)兩側(cè)電子和空穴濃度相差懸殊?P區(qū)空穴和N區(qū)電子向?qū)Ψ綌U(kuò)散，?空間電荷區(qū)?自建電場(chǎng)N?P,20,2。耗盡區(qū)和耗盡電容-突變結(jié),當(dāng)半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度從受主雜質(zhì)NA突變?yōu)槭┲麟s質(zhì)ND時(shí)，得到突變結(jié).,空間電荷分布,21,熱平衡狀態(tài)（無(wú)外電壓，沒(méi)有電流）：,凈電子和空穴電流為零，要求費(fèi)米能級(jí)在整個(gè)樣品中為常數(shù)。,根據(jù)電流密度方程：,同理,,,,22,空間電荷區(qū)總寬度,空間電荷分布：,23,電場(chǎng)分布：,泊松方程+邊界條件,根據(jù)泊松方程，得到：,,,積分，得到電場(chǎng)分布,X=0處的最大電場(chǎng),24,兩次積分，得到電勢(shì)分布,,電勢(shì)，Vbi為內(nèi)建勢(shì),電勢(shì)分布:,內(nèi)建勢(shì),總的耗盡層寬度,,25,能帶：,平衡時(shí)，,,結(jié)兩側(cè)空穴密度之間和電子密度之間的關(guān)系,能帶圖,,內(nèi)建勢(shì),26,Ge，Si，GaAs單邊突變結(jié)的內(nèi)建勢(shì),27,耗盡層的寬度,雙邊突變結(jié),,單邊突變結(jié),半導(dǎo)體的特征長(zhǎng)度，德拜長(zhǎng)度,考慮到多數(shù)載流子分布尾，經(jīng)過(guò)修正的單邊突變結(jié)的W：,,28,Si的德拜長(zhǎng)度與摻雜濃度的關(guān)系,29,Si單邊突變結(jié)耗盡層寬度和單位面積耗盡層電容與摻雜濃度的關(guān)系。,30,單位面積的耗盡層電容定義為：,單邊突變結(jié)，單位面積電容：,F/cm2,反向和正向偏置,耗盡層電容：,,1/C2~V?直線，斜率：襯底雜質(zhì)濃度，1/C2=0時(shí)截距：內(nèi)建勢(shì)。,31,Si單邊突變結(jié)耗盡層寬度和單位面積耗盡層電容與摻雜濃度的關(guān)系。,32,泊松方程:,2。耗盡區(qū)和耗盡電容-線性緩變結(jié),雜質(zhì)分布:,雜質(zhì)濃度梯度,積分,得到電場(chǎng)分布:,最大電場(chǎng):,33,兩次積分,得到內(nèi)建勢(shì):,,線性緩變結(jié)的耗盡層電容:,34,Ge,Si和GaAs線性緩變結(jié)的梯度電壓.,35,Si線性緩變結(jié)的耗盡層寬度和單位面積耗盡層電容與雜質(zhì)濃度梯度的關(guān)系.,虛線為零偏壓情形,