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1、半导体物理与器件半导体物理与器件陈延湖陈延湖n金属半导体结的整流接触特性，即肖特金属半导体结的整流接触特性，即肖特基势垒基势垒PN结的理想电压电流特性结的理想电压电流特性n金属半导体结的欧姆接触概念及特性金属半导体结的欧姆接触概念及特性n异质结典型能带结构及性能特点异质结典型能带结构及性能特点本章重点问题：本章重点问题：第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结n当金属作为引线电极将器件的电流或电压接入电当金属作为引线电极将器件的电流或电压接入电路时，金半接触需要实现欧姆接触而不是整流接路时，金半接触需要实现欧姆接触而不是整流接触。触。n良好的欧姆接触是器件制造的重点和难点
2、，也是良好的欧姆接触是器件制造的重点和难点，也是器件所必备的。特别对于高频和大功率器件。器件所必备的。特别对于高频和大功率器件。9.2 金属半导体的欧姆接触金属半导体的欧姆接触n对于高频晶体管器件其性能品质因子为特征频率对于高频晶体管器件其性能品质因子为特征频率fT和最高震荡频率和最高震荡频率fmaxjcCEnBBjcjeCCRRvXDvXCCqIkTfsatdep2T221jcbCRff8Tmax良好的欧姆接触保证较小的电极电阻良好的欧姆接触保证较小的电极电阻Rb、Rc、Re，从而获得较大的从而获得较大的ft、fmaxn欧姆接触：欧姆接触：n它不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的它不
3、产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。平衡载流子浓度发生显著的改变。n理想欧姆接触的接触电阻很小，欧姆接触上的电压降理想欧姆接触的接触电阻很小，欧姆接触上的电压降应该远小于样品和器件本身的压降；应该远小于样品和器件本身的压降；VIVI欧姆接触：线性欧姆接触：线性IVIV曲线；零偏接触电阻曲线；零偏接触电阻dIdVRC较小较小n如何实现欧姆接触：如何实现欧姆接触：n选择合适的金属使半导体形成选择合适的金属使半导体形成反阻挡层反阻挡层，反阻挡层反阻挡层没没有整流作用。有整流作用。9.2.1 理想非整流接触势垒理想非整流接触势垒金属与金属与n型半导体接触：当型半导体
4、接触：当 m s时，在半导体表面形成反阻挡层时，在半导体表面形成反阻挡层接触前接触前接触后接触后正偏正偏反反偏偏n正偏：正偏： 电子从半导体流向金属电子从半导体流向金属没有遇到势垒，就会有很大的没有遇到势垒，就会有很大的正向电流正向电流n反偏：电子从金属流向半导体反偏：电子从金属流向半导体会遇到小的势垒，很容易穿过会遇到小的势垒，很容易穿过势垒形成很大的反向电流势垒形成很大的反向电流n因而因而 M s时，金属与时，金属与P型半导体也可以形成欧型半导体也可以形成欧姆接触（参见图姆接触（参见图9.13）n由于半导体表面态的存在，假定半导体能带隙的上半部分由于半导体表面态的存在，假定半导体能带隙的上
5、半部分存在受主表面态，那么所有受主态都位于存在受主表面态，那么所有受主态都位于EF之下，如图之下，如图9.11b.这些表面态带负电荷，将使能带图发生变化。这些表面态带负电荷，将使能带图发生变化。n同样地假定半导体能带隙的下半部分存在施主表面态，如同样地假定半导体能带隙的下半部分存在施主表面态，如图图9.13b，所有施主态都位于，所有施主态都位于EF之上，这些表面态带正电之上，这些表面态带正电荷，将使能带图发生变化。因此表面态的作用可能使反阻荷，将使能带图发生变化。因此表面态的作用可能使反阻挡层变为阻挡层，因而导致无法形成良好的欧姆接触挡层变为阻挡层，因而导致无法形成良好的欧姆接触n如何实现欧姆
6、接触：如何实现欧姆接触：n由于重要半导体材料具有高表面态，往往难以利用选由于重要半导体材料具有高表面态，往往难以利用选择金属材料的方法实现欧姆接触。在生产实际中常采择金属材料的方法实现欧姆接触。在生产实际中常采用用隧道效应在半导体上制造欧姆接触。隧道效应在半导体上制造欧姆接触。9.2.2 隧道效应隧道效应n金属半导体接触的空间电荷层宽度与半导体掺杂金属半导体接触的空间电荷层宽度与半导体掺杂浓度的平方根成反比，随着掺杂浓度的增加，遂浓度的平方根成反比，随着掺杂浓度的增加，遂穿效应增强穿效应增强212dbisneNVx金属与重掺杂半导体结的能带图金属与重掺杂半导体结的能带图n用比接触电阻用比接触电
7、阻Rc表征欧姆接触的好坏：电流表征欧姆接触的好坏：电流密度对电压求导的倒数，单位为密度对电压求导的倒数，单位为.cm.cm2 210()cVJRV 对高掺杂半导体，隧道电流起主要作用，对高掺杂半导体，隧道电流起主要作用，RC强烈依赖于半导强烈依赖于半导体掺杂浓度体掺杂浓度 *2exp()snBncdmRNn辅助措施：辅助措施：n金属与半导体材料合金化，形成稳定的合金物金属与半导体材料合金化，形成稳定的合金物质：如对硅材料，形成硅化物，即质：如对硅材料，形成硅化物，即siliciden针对难以重掺杂的宽禁带化合物，采用与窄带针对难以重掺杂的宽禁带化合物，采用与窄带隙半导体构成缓变异质结来过渡、并
8、加上高掺隙半导体构成缓变异质结来过渡、并加上高掺杂技术，即在宽带隙半导体表面上加一层高掺杂技术，即在宽带隙半导体表面上加一层高掺杂（型号相同）的窄带隙半导体、构成一个异杂（型号相同）的窄带隙半导体、构成一个异质结来实现欧姆接触。质结来实现欧姆接触。n器件中欧姆接触范例：器件中欧姆接触范例：发射极（宽禁带发射极（宽禁带AlGaAs)AlGaAs)：生长可高掺杂的窄禁生长可高掺杂的窄禁带带GaAsGaAs层，实现欧姆层，实现欧姆接触接触1e191e161e181e19集电极：集电极：生长子集电生长子集电极极GaAsGaAs层，层，重掺重掺1e181e18，实现欧姆接实现欧姆接触触基极（窄禁带基极（
9、窄禁带GaAs)GaAs)：GaAsGaAs层重掺杂层重掺杂1e191e19，实现，实现欧姆接触欧姆接触n对对HBT器件合金前后器件特性对比器件合金前后器件特性对比:012345-0.0050.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.040 ICVCE after annoy before annoy通过合金，通过合金，HBTHBT器件的集电极金半接触电阻变小，器件的集电极金半接触电阻变小，HBTHBT器件的饱和电压减小。器件的饱和电压减小。9.3 异质结异质结n异质结定义：异质结定义：由两种不同的半导体材料形成的结由两种不同的半导体材料形成的结称为异质
10、结称为异质结(heterojunction)。n由于形成异质结的两种半导体单晶材料的由于形成异质结的两种半导体单晶材料的禁带宽度、禁带宽度、介电常数、折射率、吸收系数介电常数、折射率、吸收系数等物理参数不同，异质等物理参数不同，异质结结(heterojuction)表现出不同于同质结表现出不同于同质结（homojunction）的性质。）的性质。n异质结器件的发展：异质结器件的发展：n1948年肖克莱提出年肖克莱提出HBT概念和获得专利；概念和获得专利；n1960年制造成功第一个异质结；年制造成功第一个异质结；n1969年实现异质结半导体激光器；年实现异质结半导体激光器；n 1972年年IBM
11、实现实现HBT器件器件(GaAs基）；基）；n1980实现实现HEMT器件；器件；n1987年年IBM实现实现SiGe HBT分子束外延生长分子束外延生长（MBE）n异质结制作技术：异质结制作技术：外延技术外延技术液相、气相、分液相、气相、分子束等。子束等。n异质结的分类异质结的分类n反型异质结反型异质结：指：指由导电类型相反的两种不同的半导由导电类型相反的两种不同的半导体材料所形成的异质结。体材料所形成的异质结。如如p型型Ge与与n型型GaAs所形所形成的结，记为成的结，记为p-nGe-GaAs；若异质结由；若异质结由n型型Ge与与p型型GaAs所形成，记为所形成，记为n-pGe-GaAs。
12、n同型异质结同型异质结：指：指由导电类型相同的两种不同的半导由导电类型相同的两种不同的半导体材料所形成的异质结体材料所形成的异质结。如。如n型型Ge与与n型型GaAs形成形成n-nGe-GaAs。n异质结也可以分为异质结也可以分为突变型突变型异质结和异质结和缓变型缓变型异质结两异质结两种种n一般把禁带宽度较小的半导体材料写在前面。或者一般把禁带宽度较小的半导体材料写在前面。或者用大写字母表示较宽带用大写字母表示较宽带9.3.2 异质结能带图异质结能带图n在研究异质结特性时，异质结的能带图起着重在研究异质结特性时，异质结的能带图起着重要作用，异质结的能带图取决于形成异质结的要作用，异质结的能带图
13、取决于形成异质结的两种半导体的两种半导体的电子亲和势、禁带宽度、及功函电子亲和势、禁带宽度、及功函数、数、界面态等界面态等真空能级真空能级n窄禁带材料窄禁带材料p型型Ge和宽禁带材料和宽禁带材料N型型GaAs成结成结前的能带图前的能带图不考虑界面态时的不考虑界面态时的突变反型异质结能带图突变反型异质结能带图n形成突变形成突变nP异质结后的热平衡能带图异质结后的热平衡能带图VbiVbi为接触电势差或内建电势差为接触电势差或内建电势差bibinbipFnFpspsnbibinbipeVeVeVEEeeVVVVbinVbin和和VbipVbip分别为交界面两侧半导分别为交界面两侧半导体的内建电势差。
14、体的内建电势差。n突变突变pN异质结后的热平衡能带图特点异质结后的热平衡能带图特点1n能带在交界面处不连续，有一个能带在交界面处不连续，有一个突变突变。 EC和和 EV的出现将阻碍的出现将阻碍载流子通过界面，这种对载流子载流子通过界面，这种对载流子的限制作用是同质结中所没有的的限制作用是同质结中所没有的导带底处导带底处:价带顶处价带顶处:()CnpEe)()VCgpgnVgpgnnpEEEEEEEe（n突变突变pN异质结后的热平衡能带图特点异质结后的热平衡能带图特点2n能带在交界面处出能带在交界面处出现现”尖峰尖峰”和和”凹凹口口”。因而。因而可能会可能会出现电子或空穴的出现电子或空穴的堆积堆
15、积。9.3.3 二维电子气二维电子气n以同型异质结以同型异质结n/N GaAs-AlGaAs为例，其能带图如下为例，其能带图如下势阱（凹口）中积累了电子势阱（凹口）中积累了电子n基于量子力学，势阱中的电子能量是量子化的基于量子力学，势阱中的电子能量是量子化的n因此，电子在与界面垂直的方向上有量子化的能级，同时因此，电子在与界面垂直的方向上有量子化的能级，同时可以向空间其他两个方向自由移动，这种电子称可以向空间其他两个方向自由移动，这种电子称二维电子二维电子气气n二维电子气可位于低掺二维电子气可位于低掺杂或不掺杂的区域，因杂或不掺杂的区域，因而其中而其中电子的迁移率远电子的迁移率远高于存在电离掺
16、杂杂质高于存在电离掺杂杂质的区域的电子的迁移率的区域的电子的迁移率n如果异质结变为缓变结，如果异质结变为缓变结，则二维电子气的迁移率则二维电子气的迁移率还可以进一步提高还可以进一步提高二维电子气的优点：二维电子气的优点：0000() () ()()()()lnlnln()ln()bispsnbipgpFpvpngnFnvnbipngpgnFnvnFpvpvpvnbiCgnppvnbivnovpcpnobicpcnVeVeEEEeEEEeVeEEEEEENNeVEEkTkTpppNeVEkTpNNneVEkTnN 9.3.4静电平衡态静电平衡态n半导体异质结由于特殊的能带结构半导体异质结由于特殊
17、的能带结构(能带不连续，能带不连续，存在势垒尖峰和势阱存在势垒尖峰和势阱)及及晶格不匹配而引入界面态晶格不匹配而引入界面态等因素等因素，异质结的电流电压关系较同质结复杂的，异质结的电流电压关系较同质结复杂的多。存在多个电流电压模型：多。存在多个电流电压模型：n扩散模型扩散模型n发射模型发射模型n发射复合模型发射复合模型n隧道模型隧道模型n隧道复合模型等隧道复合模型等9.3.5 IV特性特性同质结与异质结电流电压成分对比：同质结与异质结电流电压成分对比：n（1）同质结中电子势垒与空穴势垒相同同质结中电子势垒与空穴势垒相同，电，电子电流与空穴电流的相对数量级由相对杂质浓子电流与空穴电流的相对数量级
18、由相对杂质浓度决定。度决定。n（2）但在异质结中，电子势垒与空穴势垒有但在异质结中，电子势垒与空穴势垒有可能不同可能不同，较小的势垒高度导致较大的载流子，较小的势垒高度导致较大的载流子电流，实际电流可由势垒高度小的载流子电流电流，实际电流可由势垒高度小的载流子电流决定。决定。n空穴由空穴由P型半导体的价带型半导体的价带到到N型半导体的价带所遇型半导体的价带所遇势垒高度：势垒高度：VEpbiveeVEn电子由电子由N型半导体的导带型半导体的导带到到P型半导体的导带所遇型半导体的导带所遇势垒高度：势垒高度：nbiceeVE12biDDVVV负反向势垒负反向势垒PN异质结异质结n负反向势垒负反向势垒
19、PN异质结扩散电流表达式：异质结扩散电流表达式：电子扩散流：电子扩散流：空穴扩散流：空穴扩散流：2102()expexp(1)pbivppeDpe VEeVJLkTkTpbiveeVE nbiceeVE所以：所以：pnJJ 1201()expexp(1)nbiCnneD ne VEeVJLkTkT小结小结n不同功函数的金属和半导体接触特性不同功函数的金属和半导体接触特性n金属与半导体的整流接触，肖特基势垒的特性金属与半导体的整流接触，肖特基势垒的特性n金属与半导体整流接触的电流电压关系金属与半导体整流接触的电流电压关系 热电阻发热电阻发射理论射理论n肖特基势垒二极管与肖特基势垒二极管与pn结二极管的不同结二极管的不同n欧姆接触的概念与形成方法欧姆接触的概念与形成方法n异质结能带图异质结能带图 二维电子气二维电子气