集成电路中的物理问题讲座 第五讲 金属-半导体接触的电流机制

在金属-半导体界面附近一般存在势垒,称为肖特基势垒.基于这一结构的二极管称为肖特基势垒二极管或肖特基二极管. 由于肖特基二极管较p-n结有更低的正向压降,所以在双极型集成电路中用它作限饱和二极管,以显著提高电路的速度.金属半导体接触也是金属-半导体场效应晶体管(MES-FET)及有关集成电路的基础。金属-半导体欧姆接触则广泛用于形成低阻接触. 关于金属-半导体接触界面势垒的形成问题,在本刊 11卷(1982)8期中陈克铭已经作了介绍,这里不再重复.本文着重讨论金属-半导体接触的电流. 金属-半导体接触的电流通常由多数载流子越过势垒形…     

集成电路中的物理问题讲座——第八讲 MOS物理基础

金属-氧化物-半导体(MOS)系统,它不仅作为金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)在超大规模集成电路中占有主导地位,而且也是半导体器件、材料和工艺方面的重要研究手段之一.故对它的研究日益发展、深入.本文仅从集成电路的角度出发,着重介绍与MOS系统电学特性有关的基础知识,而未涉及工艺制造问题. 一、半导体表面空间电荷区[1-3] 表面势的存在,由于自由载流子数目偏离平衡值,将使表面层中形成非电中性区,即表面空间电荷区.这里面的载流子分布、电位分布均与体内不同,呈现一系列的表面物理效应.1.平衡态、载流子非简并 这是一种最简…     

电化学染料增感对聚苯胺/硅异质结电池的影响

采用电化学氧化聚合染料增感方法，利用有机染料直接耐晒翠兰对太阳电池顶区材料聚苯胺进行了有机染料增感研究，制备出了Al栅/DS-PAn/n-Si/Al结构的染料增感聚苯胺/硅异质结太阳电池.研究表明，染料增感可使聚苯胺在光照射下光生载流子明显增强，较大幅度地改善聚苯胺的可见光谱响应；J-V特性表明，电池二极管的曲线因子约为6.3，p-n结的潜在势垒高度为0.89 eV；与未增感的PAn/n-Si异质结太阳电池相比，染料增感的DS-PAn/n-Si异质结太阳电池的短路电流和转换效率得到了较大提高，在37.2 W/m2的光照射下，经染料增感的电池短路电流较增感前提高了约6倍，填充因子可达57%，转换效率达1.42%.     

半导体断路开关电路-流体耦合数值模拟

为了研究掺杂结构为p+-p-n-n+的半导体断路开关的ns脉冲截断机理,根据流体力学方程和全电流方程推导出半导体断路开关内部载流子运动满足的电流-电压关系表达式,提出了一种外电路方程和载流子流体力学方程联立求解的1维耦合数值模型。采用该模型对半导体断路开关的ns脉冲截断过程进行了数值模拟,模拟结果表明:在截断过程中,n-n+结处的载流子数密度首先开始明显降低,并出现高电场,随后p+-p结处也出现类似现象,随着载流子的抽取,高电场区域向p-n结处快速移动,最终在p-n结处完成截断,而基区载流子数密度在截断前后无明显变化。     

GaAs-绝缘薄膜界面和金属-绝缘薄膜-半导体(MIS)结的特性

对Si-SiO2系统广泛而深入的研究和器件的平面技术的发展,导致了Si金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSPET)及其集成电路(IC)的辉煌成就.GaAs的电子迁移率比Si高五倍多,预期GaAs金属-绝缘薄膜-半导体场效应晶体管(MISFET)可工作于更高频率,其IC可应用于更高速度.以往十多年,对GaAs-绝缘薄膜界面和MIS结的特性进行了研究(见文献[1]),取得了一定成果,但因研究对象相当复杂,还未能在FET及其IC方面取得突破.与此同时,对GaAs的金属-半导体(M-S)界面和结的特性也进行了研究,目前已在一系列GaAs微波器件包括金属-半导体接触场效应…     

单晶硅表面均匀小尺寸金字塔制备及其特性研究

表面织构是一种通过有效的光俘获增加短路电流从而提高太阳电池效率的主要途径之一.在加入间隙式超声和NaClO添加剂的碱性四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液中对单晶硅表面进行织构化处理,研究超声与NaClO在织构过程中对金字塔成核和生长的影响,以及金字塔大小对高温工艺之后的单晶硅少子寿命的影响.研究表明,通过在织构溶液中加入间隙式超声控制气泡停留在硅片表面的时间和脱离硅片表面速度,增强了小尺寸金字塔的均匀分布.织构之后硅片在AM1.5G光谱下的加权平均反射率能够达到12.4%,在高温扩散和氧化之后少子寿命的大小与金字塔大小之间存在近似于指数衰减函数的关系. 关键词： 表面织构化 反射率 少子寿命 单晶硅太阳电池     

基于辐照前1/f噪声的金属-氧化物-半导体场效应晶体管辐照退化模型

基于金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)噪声的载流子数涨落和迁移率涨落理论,建立了MOSFET辐照前1/f噪声参量与辐照后分别由氧化层陷阱和界面陷阱诱使阈值电压漂移之间的定量数学模型,并通过实验予以验证.研究结果表明,辐照诱生的氧化层陷阱通过俘获和发射过程与沟道交换载流子,在引起载流子数涨落的同时也通过库仑散射导致沟道迁移率的涨落,因此辐照前的1/f噪声幅值正比于辐照诱生的氧化层陷阱数.利用该模型对MOSFET辐照前1/f噪声与辐照退化的相关性从理论上 关键词： f噪声')" href="#">1/f噪声 辐照 金属-氧化物-半导体场效应晶体管 陷阱     

Graphene/Ag2ZnSnSe4诱导p-n结薄膜太阳电池数值模拟

银锌锡硒(Ag2ZnSnSe4)是一种禁带宽度为1.4 eV的n型半导体材料.本文提出一种由n型Ag2ZnSnSe4与石墨烯(Graphene)组成的Graphene/Ag2ZnSnSe4诱导p-n结薄膜太阳电池,并借助wxAMPS软件对电池的物理机理和性能影响因素进行模拟研究.模拟结果表明,高功函数的石墨烯与n型Ag2ZnSnSe4半导体接触时,Ag2ZnSnSe4吸收层的前端能带向上弯曲,在n型Ag2ZnSnSe4吸收层表面诱导形成p型Ag2ZnSnSe4反型层,p型Ag2ZnSnSe4和n型Ag2ZnSnSe4组成p-n同质结.模拟发现石墨烯和背接触的功函数会影响载流子的分离、输运和收集,严重影响器件性能,石墨烯功函数达到5.5 eV,背接触功函数不高于4.4 eV,都有利于提高器件性能.Ag2ZnSnSe4吸收层的掺杂浓度主要影响器件的短路电流,而Ag2ZnSnSe4吸收层的体内缺陷对器件整体性能产生影响.在石墨烯和背接触功函数分别为5.5和3.8 eV,Ag2ZnSnSe4吸收层的掺杂浓度和缺陷密度分别为1016和1014 cm–3时,Graphene/Ag2ZnSnSe4诱导p-n结薄膜太阳电池能够取得高达23.42%的效率.这些模拟结果为设计新型高效低成本太阳电池提供了思路和物理阐释.     

平面异质结有机-无机杂化钙钛矿太阳电池研究进展

高效低成本太阳电池的研发是太阳能光伏技术大规模推广应用的关键. 近年来兴起的有机- 无机杂化钙钛矿(以下简称钙钛矿)太阳电池因具有光电能量转换效率高、制备工艺简单等优点, 引起了学术界和产业界的广泛关注, 具有广阔的发展前景. 其中平面异质结钙钛矿太阳电池因具有结构简单, 可低温制备等诸多优点, 成为目前研究的一个重要方向. 平面异质结钙钛矿太阳电池分为n-i-p型和p-i-n型两种结构. 其中钙钛矿分别与电子传输层和空穴传输层形成两个界面, 在这两个界面上实现电子和空穴的快速分离. 电子传输层和空穴传输层分别为电子和空穴提供了独立的输运通道. 平面异质结结构有利于钙钛矿太阳电池中电子和空穴的分离、传输和收集. 此外, 该结构不需要高温烧结的多孔结构氧化物骨架, 扩大了电子和空穴传输材料的选择范围. 可以根据钙钛矿材料的能带分布及载流子传输特性, 来选择能级和载流子传输速率更为匹配的传输材料. 本文对钙钛矿的材料特性, 平面异质结结构的由来及发展进行了简要的概述. 其中重点介绍了平面异质结钙钛矿太阳电池的结构特征、工作机理、钙钛矿/电荷传输层的界面特性, 以及电池性能的优化, 包括钙钛矿薄膜制备、空穴和电子传输层的优化等. 最后对钙钛矿电池的发展前景及存在问题进行了阐述, 为今后高效、稳定钙钛矿太阳电池的研究提供参考.     

载流子选择性接触:高效硅太阳电池的选择

太阳电池可看成由光子吸收层和接触层两个基本单元组成,接触层是高复合活性金属界面和光子吸收层之间的区域.为了进一步提高硅太阳电池的转换效率,关键是降低光子吸收层和接触之间的复合损失.近年来,载流子选择性接触引起了光伏界的研究兴趣,其被认为是接近硅太阳电池效率理论极限的最后的障碍之一.本文分析了三种类型的载流子选择性接触:在光子吸收层与金属界面之间引入薄的重掺杂层,即所谓的发射极或背面场;利用两种材料之间的导带或价带对齐;利用高功函数的金属氧化物与晶硅接触从而在晶硅中感应能带弯曲.基于一维太阳电池模拟软件wx AMPS,模拟了扩散同质结硅太阳电池[结构为(p~+)c-Si/(n)c-Si/(n~+)c-Si]、非晶硅薄膜硅异质结太阳电池[结构为(p~+)a-Si/(i)a-Si/(n)c-Si/(i)a-Si/(n~+)a-Si]和氧化物薄膜硅异质结太阳电池[结构为(n)MoO_x/(n)c-Si/(n)TiO_x]暗态下的能带结构和载流子浓度的空间分布,其中c-Si为晶硅;a-Si为非晶硅;(i),(n)和(p)分别表示本征、n型掺杂和p型掺杂.模拟结果表明:载流子选择性接触的核心是在接触处晶硅表面附近形成载流子浓度空间分布的不对称进而使得电导率的不对称,形成了对电子的高阻和空穴的低阻或者对空穴的高阻和电子的低阻,从而让空穴轻松通过同时阻挡电子,或者让电子轻松通过同时阻挡空穴,形成空穴选择性接触或者电子选择性接触.     

1.7MeV电子辐照对CdTe太阳电池电流传输特性影响的图谱分析（英文）

研究了1.7 MeV的电子辐照对具有Anti-radiation glass/ITO/ZnO/CdS/CdTe/ZnTe/ZnTe:Cu/Ni结构的碲化镉多晶薄膜太阳电池器件性能的影响。抗辐照玻璃的使用,有效防止了普通玻璃受辐照后性能变化对测试结果的影响。利用光、暗I-V,C-V,QE,AS等测试手段,分析了包括开路电压、短路电流、转换效率在内的电池性能。通过对比研究暗电流密度、分析了辐照对电池电流传输特性的影响。辐照后短路电流下降很大,电池效率明显降低。反向饱和电流密度有所增加,表明太阳电池的pn结特性受到损伤,而二极管理想因子几乎不变,说明太阳电池电流的输运机制未发生了变化。量子效率曲线证明是由于太阳电池结区损伤影响了光生载流子的收集。辐照使载流子浓度下降为原来的40.6%。导纳谱研究最终发生辐照会引入Cd~(2+)缺陷能级,其位置为E_1—E_v=(0.58±0.02)eV,俘获截面为1.78×10~(-16)cm~2,表明辐照会影响光生载流子的产生,增加了载流子复合的概率,使得反向暗电流增大,最终导致电池的短路电流衰减。     

硅薄膜太阳电池表面纳米线阵列光学设计

陷光结构的优化是增加硅薄膜太阳电池光吸收进而提高其效率的关键技术之一. 以硅纳米线阵列为代表的光子晶体微纳陷光结构具有突破传统陷光结构Yablonovith极限的巨大潜力. 通常硅纳米线阵列可以用作太阳电池的增透减反层、轴向p-n结、径向p-n结. 针对以上三种应用, 本文运用有限时域差分(FDTD)法系统研究了硅纳米线阵列在 300-1100 nm 波段的光学特性. 结果表明, 当硅纳米线作为太阳电池的减反层时, 周期P=300 nm, 高度H=1.5 μm, 填充率(FR)为0.282条件下时, 反射率最低为7.9%. 当硅纳米线作为轴向p-n结电池时, P=500 nm, H=1.5 μm, FR=0.55条件下纳米线阵列的吸收效率高达22.3%. 硅纳米线作为径向p-n结电池时, 其光吸收主要依靠纳米线, 硅纳米线P=300 nm, H=6 μm, FR= 0.349 条件下其吸收效率高达32.4%, 进一步提高其高度吸收效率变化不再明显. 此外, 本文还分析了非周期性硅纳米线阵列的光学性质, 与周期性硅纳米线阵列相比, 直径随机分布和位置随机分布的硅纳米线阵列都可以使吸收效率进一步提高, 相比于周期性硅纳米线阵列, 优化后直径随机分布的硅纳米线阵列吸收效率提高了39%, 吸收效率为27.8%. 本文运用FDTD法对硅纳米线阵列的光学特性进行设计与优化, 为硅纳米线阵列在太阳电池中的应用提供了理论支持.     

不同背场的GaAs基单结太阳能电池伏安特性及分析

介绍了GaAs基太阳能电池的原理、等效电路及性能参数,基于集成电路工艺与器件计算机辅助工艺设计(TCAD)仿真工具,设计了背场分别为InAlGaP和InAlP的两种GaAs基太阳能电池,并对其结构和性能进行仿真。同时,通过分子束外延(MBE)设备制备了这两种太阳能电池,并测试了其伏安(IV)特性。在考虑并联电阻和串联电阻对太阳能电池伏安特性的实际影响后,仿真结果与实验结果基本一致。重掺杂(原子浓度为2×1018 cm-3)的InAlGaP作为GaAs太阳能电池背场时,伏安特性曲线是典型的太阳能电池的伏安特性。重掺杂(原子浓度为2×1018 cm-3)的InAlP作为GaAs太阳能电池背场时,伏安特性曲线呈现"S"形变化。分析结果表明,背场与基层形成漂移场,加速了光生少子在电池中的输运,提高了光生电流,同时,背场将光生少子反射回有源区,降低了背表面的复合概率。当InAlP作为背场时,由于异质结的存在,影响了载流子的运输,在较小的偏压下,载流子主要通过隧道效应越过势垒,在较大的偏压下,载流子主要通过热电子发射越过势垒,因此伏安特性曲线呈现"S"形变化。     

1.7 MeV电子辐照对CdTe太阳电池电流传输特性影响的图谱分析

研究了1.7 MeV的电子辐照对具有Anti-radiation glass/ITO/ZnO/CdS/CdTe/ZnTe/ZnTe∶Cu/Ni结构的碲化镉多晶薄膜太阳电池器件性能的影响。 抗辐照玻璃的使用, 有效防止了普通玻璃受辐照后性能变化对测试结果的影响。 利用光、 暗I-V, C-V, QE, AS等测试手段, 分析了包括开路电压、 短路电流、 转换效率在内的电池性能。 通过对比研究暗电流密度、 分析了辐照对电池电流传输特性的影响。 辐照后短路电流下降很大, 电池效率明显降低。 反向饱和电流密度有所增加, 表明太阳电池的pn结特性受到损伤, 而二极管理想因子几乎不变, 说明太阳电池电流的输运机制未发生了变化。 量子效率曲线证明是由于太阳电池结区损伤影响了光生载流子的收集。 辐照使载流子浓度下降为原来的40.6%。 导纳谱研究最终发生辐照会引入Cd2+缺陷能级, 其位置为Et-Ev=(0.58±0.02)eV, 俘获截面为1.78×10-16 cm2, 表明辐照会影响光生载流子的产生, 增加了载流子复合的概率, 使得反向暗电流增大, 最终导致电池的短路电流衰减。     

基于辐照前1/f噪声的金属-氧化物-半导体场效应晶体管辐照退化模型

基于金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)噪声的载流子数涨落和迁移率涨落理论,建立了MOSFET辐照前1/f噪声参量与辐照后分别由氧化层陷阱和界面陷阱诱使阈值电压漂移之间的定量数学模型,并通过实验予以验证.研究结果表明,辐照诱生的氧化层陷阱通过俘获和发射过程与沟道交换载流子,在引起载流子数涨落的同时也通过库仑散射导致沟道迁移率的涨落,因此辐照前的1/f噪声幅值正比于辐照诱生的氧化层陷阱数.利用该模型对MOSFET辐照前1/f噪声与辐照退化的相关性从理论上进行了解释,同时也为MOSFET抗辐照能力预测提供理论依据.     

La1.3Sr1.7Mn2O7/SrTiO3-Nb异质结的整流和光伏特性

采用脉冲激光沉积法在SrTiO₃:0.7%Nb(100)单晶衬底上生长了La_1.3Sr_1.7Mn₂O₇(LSMO)薄膜, 并 研究了LSMO/SrTiO₃-Nb异质结的输运性质和光伏效应. 研究发现, 异质结具有良好的整流特征和明显的光生伏特效应. 在532 nm激光辐照下, 光生电压随温度升高先增大后减小, 并且在150 K达到最大值400 mV, 此温度点与LSMO薄膜发生金属-绝缘体转变的温度一致, 这表明异质结的光生伏特效应受LSMO薄膜内部的输运特征调控. 进一步, 从光生电压随时间的变化曲线中分析发现, 上升沿符合一阶指数函数, 这与载流子的迁移过程相关; 而下降沿符合二阶指数函数, 这与结两侧载流子的外部回路中和以及材料内部的电子-空穴湮灭有关. 值得注意的是, 上升沿和下降沿的时间常数均随着温度先增大后减小, 且最大值均出现在LSMO薄膜的金属-绝缘转变温度.     

光电导开关产生太赫兹电磁波双极特性分析

利用光电导体产生太赫兹电磁波(THz波)，THz远场辐射波形与光电导体材料的载流子寿命、偏置电场以及触发光有直接关系.用不同方法对低温GaAs(LT-GaAs)和半绝缘GaAs(SI-GaAs)光电导开关辐射的THz电磁波所呈现的双极特性进行了模拟计算.结果表明，LT-GaAs光电导开关辐射THz波呈现双极性的主要原因是光生载流子寿命小于一个THz波产生时间；而光生载流子寿命大于100ps的SI-GaAs光电导开关，在不同的实验条件（不同偏置电场、不同光脉冲能量）下，产生的THz波呈现双极特性的主要原因分别是载流子发生了谷间散射和空间电荷电场屏蔽. 关键词： 光电导开关 THz电磁波 载流子寿命 空间电荷屏蔽     

Ag/K_4Nb_6O_(17)异质结催化剂的制备、光谱分析及光催化性能研究

采用低温水热法成功制备了层状的K4Nb6O17半导体光催化材料。考虑到水热合成的K4Nb6O17表面多羟基(Nb—OH)和端氧(Nb O,Nb—O-)的特点,采用Ag(en)2+配合物前驱体法制备了高度均匀分散的Ag/K4Nb6O17异质结光催化剂,光催化性能评价结果表明,半导体K4Nb6O17表面负载极少量的Ag,其光催化降解甲基橙活性便得到大幅度提高,Ag的最佳负载量为0.5 at%。综合XRD,FTIR,UV-VisDRS,XRF和TEM表征结果,对Ag/K4Nb6O17异质结光催化剂的作用机制进行了较详细地阐述并获得如下结论:(1)K4Nb6O17提供了降解有机染料分子的电子和空穴;(2)K4Nb6O17纳米晶上Ag粒子作为光生电子接受器,促进了金属-半导体界面上电荷的转移,有效地分离了光生电子-空穴对,提高了光催化活性。     

基于HfO2插层的Ga2O3基金属-绝缘体-半导体结构日盲紫外光电探测器

作为一种新兴的超宽带隙半导体, Ga₂O₃在开发高性能的日盲紫外光电探测器方面具有独特的优势.金属-半导体-金属结构因其制备方法简单、集光面积大等优点在Ga₂O₃日盲紫外光电探测器中得到了广泛的应用.本文在传统的金属-半导体-金属结构Ga₂O₃日盲紫外光电探测器的基础上,利用原子层沉积技术引入高介电性和绝缘性的氧化铪(HfO₂)作为绝缘层和钝化层,制备出带有HfO₂插层的金属-绝缘体-半导体结构的Ga₂O₃日盲紫外光电探测器,显著降低了暗电流,提升了光暗电流比,同时提高了器件的比探测率和响应速度,为未来Ga₂O₃在高性能弱光探测器件制备提供了一种新通用策略.     

金属-半导体接触效应

一、研究的意义和历史 金属-半导体接触效应的研究,无论从半导体器件的研制和生产,或是界面物理学的发展来说,都是一个相当重要的基本课题.最早的点接触整流器、光电探测器,第一只晶体管的注入极和集电极,都是直接和金属-半导体的点接触效应相关的.人们为了解这个效应的物理机制,也是首先从这里考虑表面态的作用.当对这个效应详细的物理机制还不清楚的时候,要稳定和提高这类器件的性能就缺乏明确的指导. pn结型器件产生后,金属-半导体接触主要应用于制作欧姆接触电极上.起初,并没有发生多大的问题,因此人们对它的研究有些漠视.近年来,随着半…