固體表面與表面態(tài)PPT課件

1、2021.3.17固體表面與表面態(tài)固體表面與表面態(tài)匯報人：劉成浩導師：韓圣浩主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 固體表面與表面吸附固體表面與表面吸附 表面態(tài)與半導體表面電場表面態(tài)與半導體表面電場 金屬半導體界面金屬半導體界面 MISMIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)( (半導體半導體/ /絕緣體界面絕緣體界面) )半導體表面物理2固體表面與表面吸附 力的角度 液體內(nèi)部分子：受四面八方的力，合力為0。 表面層分子：受其它表面層分子和液體內(nèi)部分子的力，合力不為0，指向液體內(nèi)部。 導致表面分子趨向進入體相內(nèi)部，致使表面處處有一種緊縮力。液體表面最明顯的特征就是傾向于收縮。 由于凈吸力的存在，體相分子轉(zhuǎn)移到表面，必須克服凈吸引力，需要

2、外界提供非體積功，因此表面層分子比體相分子有額外的勢能量。 液體表面能：表面分子高出內(nèi)部分子的那部分勢能總和。3 固體表面能：同理，增加單位固體表面所做的功稱固體表面能。 根源：周期行勢場遭到中斷，力的對稱性遭到破壞。 固體表面擴張需要克服表面作用力，即克服原有原子、分子或離子之間的相互作用。表面張力與物質(zhì)鍵和能力強弱有關，作用力強，表面能就高作用力弱，表面能低。 與液體表面不相同的是，固體表面也有收縮趨勢，但由于原子在格點位置做平衡振動，而液體內(nèi)分子做布朗運動故不會形成球形。固體表面能42個辦法：1. Wulff定理： Wulff指出：晶體在逼近平衡位置時將調(diào)整自己的形狀，使其 本身的總表面

3、能降至最小。 晶體表面能是晶體取向的函數(shù)，即y (n)。 恒溫恒壓熱力學平衡態(tài)下，一定體積的晶體具有的總表面能應為最小，y (n)dA=最小值 若y(n)已知，在熱力學平衡狀態(tài)下，原則上可求得給定體積的晶體具有怎樣的形狀。 液體表面能各向同性，Y (n)為一常量。在給定體積條件下， 表面面積最小的形狀為球形，所以液滴的平衡形狀為球形。 晶體是各向異性的，所以其顯露的晶面都是表面能較低的晶面 ，結(jié)果是一個多面體。52.表面吸附：因表面積難以改變，常吸附外部低表面能的物質(zhì)。6 物理吸附：吸附力是物理性的，主要是范德瓦耳斯力。吸附發(fā)生時，吸附分子和固體表面組成均不會發(fā)生改變。 化學吸附：吸附分子與固

4、體表面有某種化學作用，即他們之間有電子交換、轉(zhuǎn)移或者共有、從而導致原子的重排，化學鍵的形成或破壞。 范德華力的本質(zhì)：來源于分子或原子間的色散力、靜電力和誘導力。無方向性和飽和性在非極性和極性不大的分子間主要是色散力。產(chǎn)生原因原子或分子中的電子在軌道上運動時產(chǎn)生瞬間偶極矩， 它又引起臨近原子或分子的極化，這種極化作用反過來 又使瞬間偶極矩變化幅度增大。許多實驗可以證實:基于色散力是物理吸附的力的本質(zhì)。吸附種類7物理吸附與化學吸附物理吸附化學吸附吸附力范德華力，弱化學鍵力，強吸附層數(shù) 單層或多層單層吸附熱較小伝氣體凝結(jié)熱）V40KJ/mol較大（q反應熱）80 400KJ/mol選擇性無有，只吸附

5、與之可發(fā)生反 應的分子可逆性可逆不口逆吸附速度 快，易達平衡有時較慢，不易達平衡吸附溫度 較低（低于臨界溫度）高（遠高于沸點）活化能不需要，吸附速率并不因溫度升咼而變快需要活化能，溫度升高， 吸附和解吸附速率加脫附完全脫附脫附困難，常伴有化學變 化 88 常見的化學吸附：懸掛鍵的補償 大多數(shù)實用半導體具有金剛石或閃鋅礦結(jié)構(gòu)（密堆積），Si是典型的共價鍵材料。 以Si為例:14Si原子電子組態(tài)為Is22s22p63s23p2, 4個價電子，形成sp3雜化軌道。 當N個Si原子形成晶體后，這些能帶是N個簡并的原子能級在原子間相互作用（作簡并微擾）下分裂，形成能帶。 內(nèi)層電子，上述作用微弱，分裂小，

6、能帶窄。 外層價電子相互作用強，分裂大，能帶寬?；瘜W吸附910懸鍵懸鍵： 沿著晶體某一晶向解理或平截，產(chǎn)生兩 個表面。在這些自由表面產(chǎn)生斷裂鍵，稱為懸鍵，懸鍵的價鍵電子既沒有配對，也沒有飽和，電性能不穩(wěn)定。 懸鍵未配對的電子，懸鍵未配對的電子，給出電子時起施主作用給出電子時起施主作用; ;接受電子時起受主作接受電子時起受主作 用。用。11產(chǎn)生懸鍵后，有兩種機制可用來恢復表面原子的配對鍵合。 一種是利用在表面上添加原子； 另一種是通過表面原子的重新排列如再構(gòu), 形成新的鍵合。Si(100)2xl 再構(gòu)Onginal (100) surface(2x I) nestmctured (100) su

7、rface12聯(lián)系FET器件性能 主傳輸溝道在半導體/絕緣層界面，亞閾值擺幅、場效應遷移率等以及該界面缺陷態(tài)（懸掛鍵及其補償、本身結(jié)構(gòu)缺陷等）對器件電性能影響嚴重。 Si之所以成為當今最重要的一種信息材料：主要原因之一是因為在硅表面能生長一層性能很穩(wěn)定的SiO2膜，組成具有優(yōu)質(zhì)的半導體絕緣介質(zhì)膜（SiO2/Si）系統(tǒng)。 基于此產(chǎn)生了MOS工藝，制備出MOSFET。13主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 固體表面與表面吸附固體表面與表面吸附 表面態(tài)與半導體表面電場表面態(tài)與半導體表面電場 金屬半導體界面金屬半導體界面 MISMIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)( (半導體半導體/ /絕緣體界面絕緣體界面) )半導體表面物理14表面態(tài)

8、（界面態(tài)） 定義：固體自由表面（固體間界面）附近局部性的電子能態(tài)（能級）被稱為表面態(tài)。 表面電子態(tài)的能量往往是在體內(nèi)能帶的禁帶之中，或至少在一定波矢k/時的禁帶之中。 表面態(tài)和界面態(tài)對半導體材料和器件的性質(zhì)，尤其是對表面電導和光學性質(zhì)有重大影響。15界面態(tài)的研究歷程16 本征表面態(tài)：(達姆表面態(tài));清潔表面上由于周期性中斷而出現(xiàn)的局部能級。 特點：對給定的晶體清潔表面，為定值。 外誘表面態(tài)（非本征表面態(tài)）：表面存在雜質(zhì)或吸附物，其與襯底原子相互作用，同時產(chǎn)生新的表面態(tài)。 特點：與表面經(jīng)過的處理方法有關 施主型表面態(tài)：不論能級在禁帶中的位置如何，能級被電子占據(jù)時呈電中性，釋放電子后帶正電。 受主

9、型表面態(tài)：不論能級在禁帶中的位置如何，能級空著時呈電中性，接受電子后帶負電表面態(tài)的分類17半導體表面電場半導體的表面電場一、形成表面電場的因素1、表面態(tài)的影響：由于表面態(tài)與體內(nèi)電子態(tài)之間交換電子，結(jié)果產(chǎn)生了垂直于表面的電場。(EF)s表面費米能級EF體費米能級(EF)s EF如果(EF)s EF(EF)s182、 功函數(shù)的差異：金屬中的電子絕大多數(shù)所處的能級都低于體外能級。金屬功函數(shù)的定義：Wm=E0-(EF)mE0真空中靜止電子的能量表示：金屬功函數(shù)等于1個起始能量=費米能級的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小值。半導體表面電場19金屬半導體接觸如果WSWM， 即(EF)S(EF)M金

10、屬中的電子向半導體流動形成由金半的電場。 （如右圖）(EF反過來，如果WS(EF)M半導體中的電子向金屬流動，形成由半金的電場20半導體表面電場3、氧化層中的雜質(zhì)離子例如:Si-SiO2系統(tǒng)中,SiO2層中有過剩硅離子4、外加偏壓21討論外加電場作用下半導體表面層內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象。一、空間電荷區(qū)和表面勢 MIS結(jié)構(gòu)是一個電容，在金屬與半導體之間加電壓后，金屬與半導體相對的兩個面上就會被充電(M、S所帶電荷符號相反)在金屬中，自由電子密度很高，電荷基本分布在一個原子層的厚度范圍內(nèi)；而在半導體中，自由載流子密度低得多，電荷必須分布在一定厚度的表面層內(nèi)，稱為空間電荷區(qū)。在空間電荷區(qū)內(nèi)，從表面到內(nèi)部電場逐漸減弱，到空間電荷區(qū)的另一端，場強減小到0。表面電場效應22理想的MIS結(jié)構(gòu)：M、S之間功函數(shù)差=0；IS界面處不存在其它界面態(tài)；絕緣層中無電荷流動，I層不導電?？臻g電荷層兩端的電勢差稱為表面勢，即表面與體內(nèi)的電勢差，用Vs表示。金屬與半導體間所加的電壓為VG規(guī)定： 表面電勢比內(nèi)部高時，VS0； 反之，表面電勢比內(nèi)部低時，VS0，VS0時，取負號，空間電荷區(qū)的能帶從體內(nèi)到表 面向下彎曲。 VG0，VS0時，取正號，空間電荷區(qū)的能帶從體內(nèi)到表 面向上彎曲。能帶彎曲以p型半導體為例24Vs0反型層發(fā)生在近表面，從反型層到半導體內(nèi)部還夾著一層耗盡層。此時半導體空間電荷層內(nèi)負電荷