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“芯基建”-2:拨开“双丝网”,看半导体器件中“千千结” 精选

已有 4718 次阅读 2020-4-29 10:52 |系统分类:教学心得

汪炼成 发表于《中国芯集成电路人才培养工程》和《集成电路产教融合发展联盟》

“心似双丝网,中有千千结”。 —《千秋岁》张先。

        让我们拨开“双丝网”,来看看半导体器件中的“千千结”。

PN结是半导体器件物理中最重要的概念之一,是理解半导体器件工作原理的基础。PN结是很多半导体器件的心脏,如LED、LD、光伏电池、光电探测器等。且双极型、MOS型等三端半导体器件及IGBT等更复杂的半导体器件也是由多个P-N结组成的。

P型半导体和N型半导体接触形成PN结。对于同质PN结,其禁带宽度和亲和势等参数一致,不同的是掺杂导致的费米能级。由于P型半导体电子费米能级比N型半导体要低,当他们接触时,费米能级的差异将形成驱动力,使电子由N型半导体流向P型半导体,与此同时空穴相反,由P型半导体流向N型半导体。N型(P 型)半导体输出电子(空穴),留下带正(负)电荷的施主(受主)杂质,从而对电子(空穴)形成“拉拽”,对电子(空穴)的继续移动形成阻力。当载流子的驱动力和阻力一样的时候,便达到了平衡。在能带图上看,表现为P型和N型半导体的界面处能带、费米能级分别下移和上移。而在远离界面的半导体内部,费米能级和带边的能级差不会发生变化,于是形成能带图界面处的下弯(P型)和上翘(N型)形状:界面能带的下弯和上翘即是因为对空穴和电子的阻挡。

感觉PN结的形成过程和包括男女恋爱的人际交往很相似。PN结形成的驱动力是电子的费米能级差异,而达到平衡的标志是费米能级的一致。“男神”振臂一呼,应者云集的豪迈霸气(P型重掺杂,费米能级靠近价带),或“女神”那最是一低头的温柔(N型重掺杂,费米能级靠近导带)驱动了心里的蠢蠢欲动,在鲜花情书等穷追不舍的攻势下,不断走近也在不断的摩擦纠结,缩小费米能级差距达到平衡也就是最后的交往均势。PN结的形成需要P型半导体和N型半导体“相向而行”,而不是“相背而行”。掺杂有高低区别,“相向而行”的程度可以不一样。重掺杂,相对轻掺杂的只需要较窄的耗尽和较少的费米能级移动便可以,而轻掺杂的一极需要宽度比较大的耗尽,和很大的费米能级移动来匹配以及供给载流子的输送。轻掺的一极如果本身厚度小于耗尽区宽度的话,就会全部被耗尽。BJT晶体管中有两个背靠背的PN结组成,其中基区就特意设置让其厚度小而在接触时被完全耗尽,于是载流子可以完全漂移,而不是扩散运动经过基区,提高器件响应速度。

恋爱中带节奏的“男神”或“女神”只需要一个“眼神示意”的偶尔垂幸,便可以让对方心神激荡,浮想联翩。但是作为交往弱势的“暖男”或“灰姑娘”一方,面对男女神抛出的橄榄枝而飙升的荷尔蒙时,也得评估下自己是否经得起高势垒差带来的可能巨大“耗尽”。PN结在正偏时,阻止载流子“相向运动”的阻力被削弱,费米能级平衡将被打破,电子和空穴将继续被驱动“相向运动”,如果在PN结的结合耗尽区设置一些“洼地”,如GaN基LED中的InGaN/GaN多量子阱,最大程度地让电子和空穴在此汇集,可以增加复合的概率。LED的原理就是基于此。GaN基LED中InGaN/GaN多量子阱会存在很大的由压应力导致的压电电场,具有相反电荷的电子和空穴在此电场下被强势拉开,而使其复合的概率大幅降低。此外,GaN基LED中运动速度一般不一样,电子迁移率较空穴大很多,于是电子空穴复合的洼地一般在靠近P型GaN一侧。因此很多GaN基LED研究集中在材料和器件结构设计,以克服压电电场和空穴迁移速率慢导致的复合概率降低问题。恋爱交往中,也需要寻找创造彼此的交集“洼地”,多求同存异,不要斤斤计较,“躬身入局”,怀着多往前走一步的努力和谦卑,才能max生活和感情的幸福值。

阻止电子和空穴相向运动的内建电场也作用甚大。PN结在零偏时,即不加外电场时,在外在入射光激励下,吸收的电子空穴将被内建电场作用下分离“相背运动”而被两级各自吸纳,形成净电流。这就是光伏效应。而加载反偏电压时,加载电压方向同耗尽区内建电场一致(N区到P区),将需要更多的耗尽区电荷来吸收外界电场,于是耗尽区变宽。这是探测器工作的原理。

以上所述为同质PN结,即P型和N型半导体为同一种材料,只是掺杂不同。而异质PN结情种,不同半导体材料具有不同的禁带宽度和亲和势,加之不同的人为掺杂水平,使其接触变得稍复杂。根据两者禁带的相互关系,异质PN结大致分为三种:I型嵌入型,II型交错型,III型完全错开型。无论能带及费米能级如何,异质PN半导体接触,电子从费米能级高的一侧流向费米能级低的一侧,最后达到费米能级统一的平衡状态。

如下图所示,A, B 接触前的能带如图1所示。接触过程中,电子从B流向A, 界面处B的能带下移,A上移,最后界面处B能带上翘,A能带下弯,形成对电子和空穴的阻挡作用,费米能级持平,而界面处接触前后的导带带阶 和价带带阶,即保持不变,于是得到接触达到平衡后的能带图2。异质材料导致的价带和导带带阶(Band offset),在接触前后存在且无法改变,如同人无论走多远,或多或少但始终都会带着原生家庭和成长环境的印记。吴军在《浪潮之巅》里反复提到的“企业基因论”,虽然争议颇多,但却不无道理。带阶是载流子相向而行必须克服的电势落差。

但是不能误解异质结带阶只是带来弊害,异质结带阶其实也是很多器件工作的重要基础。如GaN基 HEMT(High Electron Mobility Transistor)器件,它能实现5G高频的原因在于AlGaN/GaN异质界面AlGaN和GaN材料晶格压力导致特有的压电极化效应,不需要掺杂甚至就可以有很高的电子浓度,并且电子被限制在AlGaN/GaN异质界面的三角形势阱里,因而同时具有很高的迁移率。GaN基HEMT的最突出特点是“快”。

AlGaAs/GaAs异质结形成的 HEMT,通过对AlGaAs掺杂,施主电子转移到AlGaAs/GaAs的三角势阱,来获得高载流子浓度,同时因电子远离施主而具有高迁移率,因为电离施主会对电子迁移散射而降低其迁移率。


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1 异质异型结接触前后的能带图

异质结带阶带来的主要闪光点还有高的注入比。比如对于p-GaAs/N-Al0.3Ga0.7 As异质结,注入比高达7.4*105,即当加正向电压,从N区注入到p区的电子浓度是从p区到N区空穴浓度的7.4*105倍。另外异质结可以形成对载流子的有效限制。而宽的禁带使半导体材料一般具有小的折射率,这样由不同禁带宽度半导体材料组成的异质结由于折射率差原因,将可以对光形成很好的限制。以上高注入比、良好光学和载流子限制的特点是半导体激光器实现的基础。

以上介绍了同质异型和异质异型PN结,还存在异质同型结,即异质材料具有同样的掺杂类型,如n-AlGaN/N-GaN结(重掺杂的一侧一般大写)等。甚至还有同质同型结:虽然同质同型,但是由于掺杂浓度不同,导致费米能级不一致,也会在同质同型材料界面形成结。但是由于一般同型不同浓度掺杂费米能级差别不那么大,所以一般没有太多考虑其界面影响。我一般把费米能级低的一极当作“p型侧”来比划研究异质同型接触的能带变化情况。

金属/半导体接触也是特殊的一种半导体结,可以形成欧姆接触用于器件的金属电极,或者形成肖特基结作为高频整流等功率器件应用。金属由于电子浓度高(电子海洋啊),故其费米能级在接触时候几乎不会移动,而只能是与其接触的半导体“躬身俯就”,承担两者的全部费米能级差降造成的耗尽和势垒的形成。

以上是基于理想表面界面情况,而在实际情况中界面会存在缺陷杂质,影响半导体结的接触和电流输运。当半导体存在高密度表面态时,势垒高度与金属功函数无关,称为高表面态密度钉扎(pinning),称为巴丁模型。相当于半导体和金属之间,强势插入了表面态“第三者”。与此相对,完全无表面态情况,称为肖特基模型,如UCLA 段镶锋教授课题组在Nature杂志报道了趋近无界面态理想情况的金属/二维材料半导体接触。界面缺陷等界面态也可以作为载流子隧穿过界面势垒的辅助通道。嗯,也许有点像赢取丈母娘好感,闺蜜或者亲密室友的协助支持,结婚和找女友也许可以节省不少翻跃势垒的能量损耗。隧穿为金属/半导体形成低欧姆接触的主要物理机制,一般通过重掺杂来降低接触电阻。当然以上都指表面/界面态密度特别高的情况,密度低的表面态只是禁带区域的分立能级,没有形成统一能级,起不到作用。当然表面/界面态也会有所区别,巴丁模型中表面/界面态能吐纳电荷,而隧穿中的表面/界面态更多是位错等缺陷。

   综上,简要总结各种半导体器件中结的要点:

1.      半器心有“千千结”:半导体器件中的“结”包括同质异型结、异质异型结、异质同型结、金属/半导体结等多种类型。

2.      “相向而行”为相知:相对更加“n型”(“p型”),即费米能级更高(低)的一侧,电子(空穴)流出,留下正(负)电荷施(受)主,费米能级相互靠近并轨,界面能带上翘(下弯),形成对电子(空穴)的阻挡。耗尽区电场由“n型”指向“p型”。

3.      “达成共识”平衡态:不管同质/异质,同型/异型组成的半导体结,平衡时费米能级在整个材料内持平,接触前后体内费米能级同相应价带和导带能级差也不变。

4.      “掺杂底蕴”定耗尽:在材料一定,即势垒高度确定情况下,两侧各自耗尽区的宽度同材料的掺杂浓度成反比,掺杂浓度越高,耗尽区宽度越窄。

5.      “带阶不变”结界面:界面两侧价带和导带带阶(Band offset),在接触前后不改变,尽管界面导带和价带能带发生翘曲等变化。

6.      “表面态密”有作用:高密度表面态可以改变界面接触(如巴丁极限)和载流子输运途径(如隧穿)等,可以有效利用表面态。



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2 强涛 黄永义

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