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…     

金属-半导体界面与肖特基势垒

本文主要评述关于肖特基势垒、半导体表面态和金属-半导体界面的实验研究和近年来的进展。第一部分介绍肖特基势垒的基本理论,实验方法和测量结果。第二部分介绍半导体表面态的实验研究,主要是用光电子能谱获得的成果。第三部分介绍近年来关于肖特基势垒和金属-半导体界面的一些研究进展。文中着重介绍美Stanford大学Spicer研究组的一系列贡献。     

金属-半导体界面与肖特基势垒

本文主要评述关于肖特基势垒、半导体表面态和金属-半导体界面的实验研究和近年来的进展。第一部分介绍肖特基势垒的基本理论,实验方法和测量结果。第二部分介绍半导体表面态的实验研究,主要是用光电子能谱获得的成果。第三部分介绍近年来关于肖特基势垒和金属-半导体界面的一些研究进展。文中着重介绍美Stanford大学Spicer研究组的一系列贡献。     

外电场和双轴应变对MoSH/WSi2N4肖特基结势垒的调控

鉴于实验上最新合成的二维半导体材料WSi₂N₄(WSN)和二维金属材料MoSH(MSH),构建了金属-半导体MSH/WSN肖特基结.在实际的金属-半导体接触应用中,肖特基势垒的存在严重降低了器件的性能.因此,获得较小的肖特基势垒甚至是欧姆接触至关重要.本文使用第一性原理计算研究了在外电场和双轴应变作用下MSH/WSN肖特基结势垒的变化.计算结果表明,外电场和双轴应变均可以有效地调控MSH/WSN肖特基结势垒.正向外电场能实现MSH/WSN肖特基结p型与n型肖特基接触之间的动态转化,而负向外电场可实现MSH/WSN肖特基结向欧姆接触的转化.此外,较大的双轴应变可实现MSH/WSN肖特基结p型与n型肖特基接触的相互转化.此项工作为基于WSN半导体的肖特基功能器件及场效应晶体管提供理论指导.     

GaN/VSe2范德瓦耳斯异质结电接触特性及调控效应

降低金属-半导体界面的肖特基势垒并实现欧姆接触对于研发高性能肖特基场效应管非常重要.鉴于实验上已成功制备GaN及1T-VSe₂单层,本文理论构建GaN/1T-VSe₂异质结模型,并利用基于密度泛函理论的第一性原理研究了其稳定性、肖特基势垒特性及其调控效应.计算的形成焓及淬火分子动力学模拟表明构建的异质结是稳定的.研究表明:本征异质结为p型肖特基接触,同时发现施加拉伸或压缩应变,异质结始终保持p型肖特基接触不变,没有出现欧姆接触.而施加外电场则不同,具有明显的调控效应,较高的正向电场能使异质结从肖特基接触转变为欧姆接触,较高的反向电场能导致p型肖特基接触转变为n型肖特基接触.特别是实施化学掺杂,异质结较容易实现由肖特基接触到欧姆接触的转变,例如引入B原子能使GaN/1T-VSe₂异质结实现典型的欧姆接触,而C和F原子掺杂,能使GaN/1T-VSe₂异质结实现准欧姆接触.这些研究对该异质结的实际应用提供了理论参考,特别是对于研发新型高性能纳米场效应管具有重要意义.     

新实验技术在材料研究中的应用讲座 第十四讲 电子束感生电流(EBIC)及其在半导体研究中的应用

一、引 言 扫描电镜(SEM)有广泛的应用.在半导体研究中用得较多的是二次电子发射(SE)、阴极射线发光(CL)和电子束感生电流三种方式.所谓EBIC,是指当能量适当的电子束入射到半导体,在半导体内的一定范围内产生电子-空穴对,没有被复合的电子-空穴对通常可用一个平行于人射表面的收集场(P-n结或金属-半导体接触)来收集,这样就能在外电路中产生电流(感生电流).图1(a)表示硅的EBIC测量装置简图,由肖特基势垒来收集激发产生的电子-空穴对,EBIC信号经放大后,可进入阴极射线管进行显示,或进入图形记录仪,得到每次扫描的迹线. 由于所收集的感…     

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…     

电场对graphene/InSe范德瓦耳斯异质结肖特基势垒的调控

半导体与金属接触是制作纳电子和光电子器件时非常重要的问题,接触类型对器件的功能实现和性能影响很大.为了制备高性能多功能化器件,就必须对界面处的势垒高度和接触类型进行调控.采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了外电场作用下graphene/In Se范德瓦耳斯异质结的电子结构.计算结果表明异质结中的graphene和In Se保留了各自的本征电子性质,在界面处形成了欧姆接触.外电场可以有效调控graphene/In Se异质结中的肖特基势垒,不但可以调控肖特基势垒的高度,而且可以调控界面接触类型.外电场还可以有效调控graphene和In Se界面电荷转移的数量和方向.     

InAs量子点在肖特基势垒二极管输运特性中的影响

在77到292K的范围内,系统研究了含InAs自组装量子点的金属-半导体-金属双肖特基势垒二极管的输运特性.随着温度上升,量子点的存储效应引起的电流回路逐渐减小.在测试温度范围内,通过量子点的共振隧穿过程在电流电压(I-V)曲线中造成台阶结构,且使电流回路随温度的上升急剧减小.根据肖特基势垒的反向I-V曲线,计算了势垒的反向饱和电流密度和平均理想因子.发现共振随穿效应使肖特基势垒在更大的程度上偏离了理想情况,而量子点的电子存储效应主要改变了肖特基势垒的有效势垒高度,从而影响了势垒的反向饱和电流密度 关键词： 自组装量子点 肖特基势垒 电流-电压特性     

金属-绝缘体-半导体(MIS)太阳电池原理简介

MIS太阳电池由金属-半导体结构成,利用金属-半导体结的肖特基势垒(SB)产生内场来分离光生载流子.它和p-n结太阳电池相比,有如下一些优点:(1)制结快速、容易,不需高温.同时,因为是表面结,所需基片较薄,所以材料及能量消耗均较少.(2)在电池作用区避免了高温扩散引起的晶格损伤和少子寿命退化,减小了体区载流子复合.(3)延长到硅表面的电场,有助于收集短波光生少子,避免了多数p-n结太阳电池表面出现的“死层”.故紫光响应好.(4)结构适于单晶也适于多晶和非晶.(5)金属、绝缘体、半导体选择余地大,可进行多种组合以满足不同的需要.实际上,除太阳…     

集成电路中的物理问题讲座 第三讲 金属硅化物的形成

金属硅化物在微电子学的理论研究和实际应用方面有着广阔的前景,近来金属硅化物形成研究再次成为一个非常活跃的领域.理论方面,硅化物的能带结构和硅化物-硅界面研究有着重要意义.高性能和高可靠性电路制造对金属化方案的选择至关重要.金属硅化物具有低的电阻率和高的稳定性,它们在集成电路上的应用引起人们极大的关注.图1是半导体电路金属化系统两种典型结构.其中图1(a)是具有重掺源、漏区和轻渗沟道的FET结构;图1(b)是MOS结构,有一个金属栅.图1中的两种结构代表金属化系统在电路中三种典型用途:各单元的互连线、金属-半导体接触(肖特基…     

铝-金刚石界面电子特性与界面肖特基势垒的杂化密度泛函理论HSE06的研究

宽带隙半导体金刚石具有突出的电学与热学特性,近年来,基于金刚石的高频大功率器件受到广泛关注,对于金属-金刚石肖特基结而言,具有较高的击穿电压和较小的串联电阻,所以金属-金刚石这种金半结具有非常好的发展前景.本文通过第一性原理方法去研究金属铝-金刚石界面电子特性与肖特基势垒的高度.界面附近原子轨道的投影态密度的计算表明:金属诱导带隙态会在金刚石一侧产生,并且具有典型的局域化特征,同时可以发现电子电荷转移使得Fermi能级在金刚石一侧有所提升.电子电荷在界面的重新分布促使界面形成新的化学键,使得金属铝-氢化金刚石形成稳定的金半结.特别地,我们通过计算平均静电势的方法得到金属铝-氢化金刚石界面的势垒高度为1.03 eV,该值与金属诱导带隙态唯像模型计算的结果非常接近,也与实验值符合得很好.本文的研究可为金属-金刚石肖特基结二极管的研究奠定理论基础,也可为金刚石基金半结大功率器件的研究提供理论参考.     

接触电极的功函数对基于碳纳米管构建的场效应管的影响

基于碳纳米管构建的场效应管在纳电子器件中占有重要的位置, 如何获得p型和n型的电子输运性能是人们所关注的. 本文分别采用高功函数的Pt金属和低功函数的Al金属作为源漏电极, 获得了p型输运性质和n型输运性质的基于碳纳米管构建的场效应管. 能带结构的分析证明了接触电极的功函数在这种场效应管的输运机理中扮演了重要的角色, 可以仅仅通过改变接触电极的材料, 实现p型场效应管和n型场效应管之间的转换, 这是经典的金属与半导体接触的理论无法解释的. 关键词： 碳纳米管 场效应管 肖特基势垒 功函数     

非对称氧掺杂对石墨烯/二硒化钼异质结肖特基势垒的调控

在纳米逻辑器件中,制造低的肖特基势垒仍然是一个巨大的挑战.本文采用密度泛函理论研究了非对称氧掺杂对石墨烯/二硒化钼异质结的结构稳定性和电学性质的影响.结果表明石墨烯与二硒化钼形成了稳定的范德瓦耳斯异质结,同时保留了各自的电学特性,并且形成了0.558 eV的n型肖特基势垒.此外,能带和态密度数据表明非对称氧掺杂可以调控石墨烯/二硒化钼异质结的肖特基接触类型和势垒高度.当氧掺杂在界面内和界面外时,随着掺杂浓度的增大,肖特基势垒高度都逐渐降低.特别地,当氧掺杂在界面外时, n型肖特基势垒高度可以降低到0.112 eV,提高了电子的注入效率.当氧掺杂在界面内时, n型肖特基接触转变为欧姆接触.平面平均电荷密度差分显示随着掺杂浓度的增大,界面电荷转移数量逐渐增多,导致费米能级向二硒化钼导带底移动,证实了随着氧掺杂浓度增大肖特基势垒逐渐降低,并由n型肖特基向欧姆接触的转变.研究结果将对基于石墨烯的范德瓦耳斯异质结肖特基势垒调控提供理论指导.     

目前金属-半导体肖特基势垒形成机理的新进展

一、引 言 关于金属一半导体接触问题,在一百多年前布朗(Braun)首先发现硫化铜和硫化铁之类的金属和半导体接触时的单向导电性.虽然当时人们对单向导电性的机理并不了解,但是这种接触还是很快地广泛用作无线电的探测器. 为了说明这个单向导电性的机理,1938年肖特基(Schottky)和     

用晶体二极管测金属脱出功

金属脱出功通常是利用真空管及光电效应原理确定的。这里我们提出一种用测量肖特基势垒二极管(即金属——半导体接触)的势垒高度来确定金属功函数的方法。     

环栅肖特基势垒金属氧化物半导体场效应管漏致势垒降低效应研究

结合环栅肖特基势垒金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)结构, 通过求解圆柱坐标系下的二维泊松方程得到了表面势分布, 并据此建立了适用于低漏电压下的环栅肖特基势垒NMOSFET阈值电压模型.根据计算结果, 分析了漏电压、沟道半径和沟道长度对阈值电压和漏致势垒降低的影响, 对环栅肖特基势垒MOSFET器件以及电路设计具有一定的参考价值. 关键词： 环栅肖特基势垒金属氧化物半导体场效应管 二维泊松方程 阈值电压模型 漏致势垒降低     

石墨烯过渡层对金属/SiC接触肖特基势垒调控的第一性原理研究

由于SiC禁带宽度大,在金属/SiC接触界面难以形成较低的势垒,制备良好的欧姆接触是目前SiC器件研制中的关键技术难题,因此,研究如何降低金属/SiC接触界面的肖特基势垒高度(SBH)非常重要.本文基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,结合平均静电势和局域态密度计算方法,研究了石墨烯作为过渡层对不同金属(Ag,Ti,Cu,Pd,Ni,Pt)/SiC接触的SBH的影响.计算结果表明,单层石墨烯可使金属/SiC接触的SBH降低;当石墨烯为2层时,SBH进一步降低且Ni,Ti接触体系的SBH呈现负值,说明接触界面形成了良好的欧姆接触;当石墨烯层数继续增加,SBH不再有明显变化.通过分析接触界面的差分电荷密度以及局域态密度,SBH降低的机理可能主要是石墨烯C原子饱和了SiC表面的悬挂键并降低了金属诱生能隙态对界面的影响,并且接触界面的石墨烯及其与金属相互作用形成的混合相具有较低的功函数.此外,SiC/石墨烯界面形成的电偶极层也可能有助于势垒降低.     

石墨烯过渡层对金属/SiC接触肖特基势垒调控的第一性原理研究

由于SiC禁带宽度大,在金属/SiC接触界面难以形成较低的势垒,制备良好的欧姆接触是目前SiC器件研制中的关键技术难题,因此,研究如何降低金属/SiC接触界面的肖特基势垒高度(SBH)非常重要.本文基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,结合平均静电势和局域态密度计算方法,研究了石墨烯作为过渡层对不同金属(Ag,Ti,Cu,Pd,Ni,Pt)/SiC接触的SBH的影响.计算结果表明,单层石墨烯可使金属/SiC接触的SBH降低;当石墨烯为2层时,SBH进一步降低且Ni,Ti接触体系的SBH呈现负值,说明接触界面形成了良好的欧姆接触;当石墨烯层数继续增加,SBH不再有明显变化.通过分析接触界面的差分电荷密度以及局域态密度,SBH降低的机理可能主要是石墨烯C原子饱和了SiC表面的悬挂键并降低了金属诱生能隙态对界面的影响,并且接触界面的石墨烯及其与金属相互作用形成的混合相具有较低的功函数.此外,SiC/石墨烯界面形成的电偶极层也可能有助于势垒降低.     

低暗电流InGaAs-MSM光电探测器

MSM(金属-半导体-金属)型光电探测器的较低寄生电容和高带宽的特点使得其应用广泛,可用于空间通信、遥感等多方面,但暗电流偏大仍是制约其发展的重要因素.为此,本文研制了100×100μm2面积的InGaAs-MSM光电探测器,通过设计InAlGaAs/InGaAs短周期超晶格和InAlAs肖特基势垒增强结构,将器件暗电流密度降至0.6pA/μm2(5V偏置),改善了目前同类器件的信噪比.对器件光电参数进行了表征:3dB带宽6.8GHz,上升沿58.8ps,1550nm波段响应度0.55A/W,光吸收区域外量子效率88%.分析了短周期超晶格和肖特基势垒增强层对暗电流的抑制机理.