半导体物理第八章-2014

5、上世纪50年代末，半导体理论趋于成熟和完整。
二、发展趋势
1、高集成度；
2、大容量；
3、系统化； 4、多功能。
三、当前研究的热点
1、特征尺寸进入纳米尺度；
2、电路结构走向SOC；
3、低功耗、低电压驱动；
4、能带工程；
5、稀磁半导体。
四、微电子技术面临的挑战
★ 缩小工艺的特征尺寸 ★ 扩大硅片直径 历来都是推动微电子技术进步的“两个车轮” 目前这两个车轮都遇到了阻碍
销售额（亿元）
74.2 43.8 24.6 16.1 12.6
6
7
格科微电子（上海）有限公司
联芯科技有限公司
11.8
11.7
8 9 10
国微科技有限公司 北京中星微电子有限公司 北京中电华大电子设计有限责任公司
11.2 11.0 9.4
2013年十大制造企业
排名 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 企业名称 SK海力士半导体（中国）有限公司 英特尔半导体（大连）有限公司 中芯国际集成电路制造有限公司 华润微电子有限公司 台积电（中国）有限公司 天津中环半导体股份有限公司 上海华虹NEC电子有限公司 和舰科技（苏州）有限公司 上海宏力半导体制造有限公司 吉林华微电子股份有限公司 销售额（亿元） 137.8 125.6 106.8 35.2 34.2 25.4 23.5 13.5 12.5 10.6
d 2V ( x） 2 dx r 0
其中： ( x) q(nD pA PP n p )
三、空间电荷区的电场、电荷分布、电容与表面势的关系
半导体是非简并半导体，空穴和电子浓度的表达式为：
E F EV qV qV p p NV exp P exp p0 k0T k0T
45.0
41.3 33.9 33.7
8
9 10
三星电子（苏州）半导体有限公司
瑞萨半导体（北京）有限公司 英飞凌科技（无锡）有限公司
23.7
23.2 23.0
中国集成电路产业链各环节规模与增速
（单位：亿美元）
设计业 2012 2013 增长率 526.4 621.68 18.10%
制造业 431.6 501.1 16.10%
★扩大硅片直径主要受成本等综合因素的限制
目前硅片直径正由300nm向450nm过渡，理论上讲，硅片直
径的增大是迟早会被采用的，因为硅晶圆面积被放大了2.25倍， 但其成本仅增大约30%。
半导体业界对450nm晶圆的热情还不强烈
首先半导体设备制造商的积极性就不高，由于450nm设备的
投资高达200亿美元，担心研发成本可能无法收回；
这时半导体空间电荷区内负电荷由
( x)
EV
两部分组成：耗尽层中已电离的受主
电荷 QA和反型层中的电子电荷Qn。
Qn
QA
Q Qn QA
x
三、空间电荷区的电场、电荷分布、电容与表面势的关系
1、一般表达式
+
+ + M + + + +
I
- - - -
P-S
x
0
空间电荷区中电势满足的泊松方程为：
表面能带。
根据固体理论求解薛定谔方程，可获得表面能级分布的情况，即状态密度， 对应的状态称为表面态。
8.2 表面空间电荷区的基本性质
一、表面空间电荷区的形成
引起半导体表面产生表面空间电荷区的原因：
1、 功函数：
由于功函数的不同，当金属和半导体接触时，在半导体表面形成空间电荷区；
2、 外电场：
有外电场作用时，可在半导体表面形成空间电荷区；
在空间电荷区内，从表面到体内电场逐渐减小，到达空间电荷区的另一端，场
强减小为零。由于电场是变化的，那么空间电荷区内的电势也随距离逐渐变化，即 从表面到体内存在一个电势差，能带也因此而弯曲。常称空间电荷层两端的电势差
为表面势，以VS表示。
规定：表面电势高于体内时，Vs＞0；体内高于表面时， Vs＜0。
浓度比体内低得多，在半导体
表面附近形成耗尽层。
( x)
电离受主贡献
x
ps p p 0
二、空间电荷区的几种类型
4)．本征状态
+ M
+ + + + + + + + +
I
- - - - - --
P-S
EC
Ei (EF)S
在耗尽状态的偏置下，进一 步增加VG到使得EF =(Ei)s，
能带进一步向下弯曲。
2、清洁表面
清洁表面指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应、杂质
扩散等一系列物理、化学效应的表面。 只有用特殊的方法，如高温热处理、离子轰击加退火、真空解理、真空沉积
等才能获得清洁表面。必须在超高真空下才能维持。
二、物理表面
在清洁表面上，可以发生多种与体内不同的结构和成分变化，如: 驰豫——表面附近的点阵常数发生了明显的变化。 重构——表面原子重新排列，形成不同于体内的晶面。 台阶化——指出现了一种比较有规律的非完全平面结构的现象。 偏析——指溶液或溶质在相界、晶界或缺陷上的聚集。
EC ( EF )M ( EF )s EV
穴浓度。
二、空间电荷区的几种类型
3).多子的耗尽状态
VG > 0， VS > 0，
+
+ + M + + + +
I
- - - -
P-S
EC
即表面电子能量比体内电子 能量低，表面能带向下弯曲， 形成空穴势垒，表面处的空穴
Ps
VG>0 (EF)M
Ei (EF)S EV
光、喷砂、磨损等。
2、化学作用界面：由表面反应、粘接、氧化、腐蚀等化学作用形成的界面。 3、固态结合界面：由两个固体相直接接触，通过真空、加热、加压、界面扩散、键合 等途径形成的界面。 4、液相或气相沉积界面：物质以原子尺寸形态从液相或气相析出而在固体表面形成膜 层或块体的界面。 5、凝固共生界面：两个固体同时从液相中凝固析出，并且共同生长所形成的界面。 6、熔焊界面：在固体表面造成熔体相，然后两者在凝固过程中形成冶金结合的界面。
本课程的主要内容
第八章 第九章 半导体表面与MIS结构 半导体异质结
第十章
第十一章
半导体的光学性质和光电与发光现象
半导体的热电性质
第十三章
非晶态半导体
一、半导体理论的发展历史
1、19世纪末、20世纪初，量子理论、固体理论的完善为半导 体理论和技术的诞生奠定了理论基础； 2、1947年12月23日，世界上第一支晶体管诞生于贝尔实验室； 3、1952年英国人达默提出了集成电路的设想； 4、1958年由德州仪器公司的基尔比领导的小组研制出了世界 上第一块集成电路；
二、空间电荷区的几种类型
1).多子积累状态
M I
++ ++ ++ ++
VG<0， VS<0， 表面电势低于体内，则
P-S
VG 0 EC Ei EF EV
+
表面电子能量高于体内，
表面处能带向上弯曲。
( x)
Q
ps p p 0
x
二、空间电荷区的几种类型
2).平坦能带状态
M I P-S
VG= 0 时，VS=0， 能带不发生弯曲，表 面空穴浓度等于体内空

EC E F qV qV n p N C exp n p 0 exp k T k T 0 0
式中Pp0和np0分别为半导体体内的热平衡空穴和电子的浓度；V为pp和np
对应的坐标x处的电势（取半导体内部的电势为零）。 另外，半导体是均匀掺杂，因此，在半导体体内电中性条件成立，即：
3、吸附表面
吸附有外来原子的表面。吸附原子可以形成无序或者有序的覆盖层。覆 盖层可以具有和基体相同的结构，也可以形成重构表面层。覆盖层结构中也 存在有缺陷，且随温度发生变化。
三、材料表面
材料科学研究的表面包括各种表面作用和过程所涉及的区域，其空间尺度和状 态决定于作用影响范围的大小和材料与环境条件的特性。 1、机械作用界面：受机械作用而形成的表、界面。常见的机械作用有切削、研磨、抛
8.1 表面的基本概念
一、表、界面的定义
表、界面是指由一个相到另一个相的过渡区域。 表、界面通常可以分为以下五类： 固—气、液—气、固—液、液—液、固—固 气体和气体之间总是均相体系，因此不存在表、界面。 习惯上把凝聚相与气相之间的分界面（固—气、液—气）称为 表面，而把凝聚相之间的分界面（固—液、液—液、固—固） 称为界面。
2013年十大封装测试企业
排名 1 2 3 企业名称 英特尔产品（成都）有限公司 江苏新潮科技集团有限公司 飞思卡尔半导体（中国）有限公司 销售额（亿元） 188.4 66.5 64.9
4
5 6 7
威讯联合半导体（北京）有限公司
南通华达微电子集团有限公司 海太半导体（无锡）有限公司 上海松下半导体有限公司
3、表面态：
当半导体表面吸附有离子时，也可在半导体表面形成空间电荷区；
4、 绝缘层中的电荷：
当与半导体接触的绝缘层中存在电荷时，也可在半导体表面形成空间电荷区。
一、表面空间电荷区的形成
+Q + + + M + + + + + -Q -
+
I
P-S
理想MIS（金属—绝缘层—半导体）结构：
① 金属与半导体间的功函数差为零，即 Wm=Ws;
其次，半导体器件制造商的积极性也不高，唯恐高达100亿 美元的建厂费用无法收回。目前对于450nm有能力、有兴趣的芯
片制造商仅有三家，即英特尔、三星和台积电。
五、我国2013年微电子产业发展概况
2013年十大IC设计企业
排名
1 2 3 4 5
企业名称
深圳市海思半导体有限公司 展讯通信有限公司 锐迪科微电子（上海）有限公司 中国华大集成电路设计集团有限公司 杭州士兰微电子股份有限公司
二、物理表面
在物理学中，一般将表面定义为三维的规整点阵到体外空间之间的过渡区域， 在这个过渡区域内，周期点阵遭到严重扰动，甚至完全变异。（第三相）
1、理想表面
就固体材料而言，理想表面就是指表面的原子位置和电子密度都和体内一样。
实际上，由于受垂直于表面方向上原子排列周期性终止的作用，表面附近的电子 波函数发生了严重的畸变，理想表面是不可能存在的。
封装业 975.7 1035.67 6.10%
2013年全球半导体地区市场增幅情况
地区 美国 欧洲 日本 亚太
增幅
-1.50%
-11.30%
-4.30%
-0.60%
第八章 半导体表面与MIS结构
第八章 Part 1
8.1 表面的基本概念
8.2 表面空间电荷区的基本性质 8.3 MIS结构的C-V特性 8.4 Si-SiO2系统 8.5 表面电导及表面迁移率 8.6 表面电场对PN结特性的影响
此时:
(EF)M
EV
( x)
ns ps ni p p 0
x
二、空间电荷区的几种类型
5).少子的反型 VG进一步增大，表面处能带进一步
VG 0
向下弯曲，表面处的费米能级离导带
底比离价带顶更近，表面处电子浓度 超过空穴浓度，形成反型层。即
+
M
I
P-S
EC
Ei
-
( EF )s
ns ＞ ps
半导体表面问题在微电子技术的科学实验和生产实践中越
来越显得关键和重要，其原因有三点： 1、利用半导体表面特有的效应研制出了许多非常重要的新 器件，例如MOS器件，CCD器件等。 2、半导体表面的状态可以严重地影响半导体器件的性能，
特别是影响器件的稳定性和可靠性。
3、随着微电子制造技术的进步，薄膜型器件不断涌现，在 薄膜型器件中，表面效应及表面性质起着决定性的作用。
②
③
绝缘层内没有电荷，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。
一、表面空间电荷区的形成
+Q + + + M + + + + + -Q -
金属一边的电荷+Q分布在很薄的薄层 内，大约在一个原子层内。而半导体
P-S
+
I
中的-Q分布在表面层零点几～几个微 米厚的薄层内，形成了空间电荷区。
★缩小工艺的特征尺寸的瓶颈技术是--光刻技术Leabharlann Baidu
目前采用193nm浸液式，再加上两次图形曝光技术已经可 以实现20nm工艺技术的量产。下一代14nm可能是个坎儿。
解决途径：
其一采用更复杂的三次图形曝光技术，但会大幅度增加工
艺复杂度（即曝光次数）和制造成本；
其二是采用具有革命性的14nmEUV光刻技术（EUV是指 波长为13.5nm的远紫外光曝光技术）。但目前EUV光源的输出 功率仅为10~20W，还远远达不到量产所需的250W。
四、表面能级、表面态
从晶体结构上看，表面原子排列不规则，而且表面上往往吸附 有其它的分子或原子。本章讨论的是理想表面，即晶体表面原子排 列比较规则，且不吸附有任何非本体分子或原子的表面。
表面实质上就是晶体周期性的中断，或周期性势场的中断，它必然在禁带
中引入能级，这种能级称为表面能级。 每个表面原子对应禁带中的一个表面能级，这些表面能级按一定规律组成