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平均键能物理内涵与肖特基势垒和异质结带阶的研究

李书平  
【摘要】:金属—半导体接触在技术上十分重要,在半导体器件和集成电路中广泛地利用着各种不同性质的金属—半导体接触,因而器件与集成电路的质量和可靠性在很大程度上依赖于电路中金属—半导体接触的性质:半导体异质结的价带带阶ΔE_p和导带带阶ΔE_c决定着量子阱和超晶格的势阱深度及其基本特性,预言、调节或控制带阶的“能带剪裁”新技术是当今“能带工程”的重要组成部分。金属—半导体接触Schottky势垒和异质结带阶的实验和理论研究与“表面与界面”新兴学科的研究进展紧密相关,基于不同实验结果的不断发现,先后提出Schottky势垒和异质结带阶的不同理论模型。关于Schottky势垒或异质结带阶,已提出的理论模型和计算方法多种多样,尚未统一,各种不同理论模型的计算中采用的参考能级也不相同。在本课题研究中,我们研究了自由电子能带和金属能带中平均键能E_(IN)与费米能级E_F的内在联系,发现平均键能相当于费米能级;在半导体能带中,着重研究了平均键能E(IN)与半导体“固有费米能级”所具有的相同物理内涵,揭示了平均键能的物理实质,建立了一种同时适用于Schottky势垒和异质结带阶的理论计算方法,即“平均键能方法”;并结合有关形变势的研究,将“平均键能方法”推广应用于应变层异质结带阶的理论计算,同时根据平均键能方法的特点,提出应变层异质结带阶的简化计算方案。本论文由五章组成,第1章介绍涉及本课题的研究背景和理论基础,第2至5章研究内容与结果的提要如下。 第2章,研究自由电子能带模型中的平均键能与费米能级间的关系。对于Si、Ge、GaP、InP、AlAs、GaAs、InAs、A1Sb、GaSb和InSb等10种面心立方半导体晶体和六角结构的Ti、Zr、Hf与体心四方的Sn等4种金属晶体,将它们的价电子近似为自由电子。一方面根据自由电子填充的费米球半径计算它们的费米能级E_F;另一方面,计算这些晶体在平衡时以及流体静压力应变和单轴应变状态下的自由电子能带结构,由电子在能带中的“最高填充态”计算其费米能级E_F~(ID)。与此同时,根据自由电子能带本征值的计算结果,引用正文中式(1.2.11)计算它们的平均键能E_(IN),着重研 论文摘 要 究了Ec、E。’“与E_三者间的关系。数值计算中发现,不但晶体处于平衡时其平均 键能 E_值非常接近于费米能级 Er(或 E。““)值,而且在晶体发生流体静压力应变 和单轴应变时,E。与EF随应变状态的变化规律也是相同的。研究结果表明,在自由 电子能带模型中平均键能民相当于费米能级E。,我们建立的E。计算公式可以用来 计算自由电子系统的费米能级E。。 第3章,研究金属能带中的平均键能与费米能级间的关系。对于六角结构(h。p) Ti、Zr和Hf以及体心四方(bio)p七n等4种不同的金属晶体,采用第一原理赝势法 计算它们的能带结构,由价电于“最高填充态”确定其费米能级厂厂,并计算其平均 键能厂。值,探讨Et与尸F的关系。研究结果表明,在上述4种金属能带中,不仅E。 与厂;n在数值上非常接近,E。与厂P两者随能带计算中采用的平面波基函数的数目的 变化趋势也相当接近,而且 E。与肛 k晶体的流体静压力应变和单轴应变的变化规律 也是相同的。所以与自由电子能带中所发现的情况类似,金属能带中的E。也相当于费 米能级 E尸,平均键能 E。的计算公式也可以用来计算这些金属晶体的费米能级。 第4章,研究半导体能带中平均键能的物理内涵及其在肖特基势垒和异质结带阶 理论计算中的应用。在能带理论中,以布里渊区中整体的能带结构表征晶体的价电子 态。对于出现禁带的半导体能带,4个价带填满价电子、所有导带是空态。我们把这种 价电子状态的费米能级称为半导体“固有费米能级”,以区别于半导体物理中己经定 义的“本征半导体费米能级”。研究中,我们先说明通常在能带计算中采用的由“最 高填充态”确定费米能级的方法不适用于半导体,半导体物理中根据简化能带定义的 “本征半导体费米能级”也不同于半导体“固有费米能级”;然后着重研究了平均键 能E。的物理内涵。研究中发现:半导体的平均键能厂。随计算能带的哈密顿矩阵阶数 Np的变化规律与金属的情况相同;E。和E。随单轴应变及流体静压力应变的变化规律 也相当接近,两者的形变势a。与a/户ee)符号相同、数值接近。这些研究结果表 明,半导体E。具有费米能级的一些重要的物理内涵;从计算方法考虑,在计算E。的 公式中,各个物理量都与是否出现带隙没有直接联系。因此若它的计算值在自由电于 能带和金属能带中都相当于费米能级,在半导体中也应该相当于“固有费米能级”。 -Vlll 论文 摘 要 这是一个推论,我们将其应用于金属-半导体接触势垒高度和异质结带阶的实际计算 中,获得了比较合理的计算结果,证实了推论的合理性。 第5章,探讨平均键能方法在应变层异质结带阶理论计算中的应用。如果半导体 中平均键能相当


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