解释金属与半导体接触的高表面态密度钉扎现象？

费米能级钉扎效应是半导体物理中的一个重要概念。本来半导体中的Fermi能级是容易发生位置变化的。例如，掺入施主杂质即可使Fermi能级移向导带底，半导体变成为n型半导体；掺入受主杂质即可使Fermi能级移向价带顶，半导体变成为p型半导体。但是，若Fermi能级不能因为掺杂等而发生位置变化的话，那么就称这种情况为费米能级钉扎效应。在这种效应起作用的时候，往半导体中即使掺入很多的施主或者受主，但不能激活（即不能提供载流子），故也不能改变半导体的型号，也因此难于通过杂质补偿来制作出pn结。产生费米能级钉扎效应的原因，与材料的本性有关。宽禁带半导体（GaN、SiC等）就是一个典型的例子，这种半导体一般只能制备成n型或p型的半导体，掺杂不能改变其型号（即Fermi能级不能移动），故称为单极性半导体。一般，离子性较强的半导体（如Ⅱ-Ⅵ族半导体，CdS、ZnO、ZnSe、CdSe）就往往是单极性半导体。这主要是由于其中存在大量带电缺陷，使得费米能级被钉扎住所造成的。正因为如此，采用GaN来制作发兰光的二极管时，先前就遇到了很大的困难，后来通过特殊的退火措施才激活了掺入的施主或受主杂质，获得了pn结——制作出了发兰色光的二极管。非晶态半导体也往往存在费米能级钉扎效应。制作出的非晶态半导体多是高阻材料,Fermi能级不能因掺杂而移动，这也是由于其中有大量缺陷的关系。此外，半导体表面态密度较大时也往往造成费米能级钉扎效应。这在M-S系统和MOS系统中起着重要的作用。

费米能级不随掺杂而发生位置变化的效应，称为费米能级的钉扎效应（Pinning effect）。费米能级钉扎效应是半导体物理中的一个重要概念。

费米能级，温度为绝对零度时固体能带中充满电子的最高能级。常用EF表示。对于固体试样，由于真空能级与表面情况有关，易改变，所以用该能级作为参考能级。电子结合能就是指电子所在能级与费米能级的能量差。

扩展资料

Fermi能级钉扎效应的影响

在这种效应起作用的时候，向半导体中即使掺入很多的施主或者受主，但由于Fermi能级不能移动，则这些杂质都不能被激活（即不能提供载流子），故也不能改变半导体的型号，也因此难于通过杂质补偿来制作出pn结。

在半导体表面或者界面中，如果出现了Fermi能级钉扎效应的话，那么半导体表面能带弯曲的情况将变得较复杂。

参考资料来源：百度百科-费米能级

参考资料来源：百度百科-费米钉扎

砷化镓原子层沉积法产生氧化铪和氧化铝闸极介电层

III–V半导体上使用的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）和硅基器件相比有很多优势。高的载流迁移率会导致互补性金属氧化物半导体（CMOS）逻辑运算更快，更高击穿场强支持其在大功率/高温方面的应用，能带结构工程提供了设计灵活性，单片光电集成电路使可生产性提高。然而，高载流迁移率的基体复合半导体及锗半导体上的金属氧化物半导体场效应却因缺乏高质量的栅极绝缘层而不能利用， 很大程度上是由于稳定钝化的俱生氧化层的缺失，以及高密度界面缺陷（Dit）随着沉积了氧化物（1）。例如，砷化镓氧化的费米能级钉扎效应归于氧诱导的表面砷原子的位移，而双层氧原子结合的双层镓原子产生了间隙状态（2）。过量的表面砷原子占据了砷化镓对位的缺陷也能造成间隙状态（2,3）。这类砷可通过砷化镓邻近的硫化砷的分解反应来形成，反应如下：

As2O3（氧化砷）+2GaAs（砷化镓）=Ga2O3（氧化镓）+4As（砷）（4）。

最近界面缺陷密度较低的氧化物/III–V型界面用氧化镓的分子束外延（MBE）来补偿（3），而加入镓来减少泄露（1,5）或降低氧化铝含量（6）。氧化镓/砷化镓体系中的费米能级钉扎效应归于一种氧化镓/砷化镓样的界面，在该界面上镓和砷表面的原子以大量电荷储存（2）。原子层沉积法（ALD）或化学气相沉积（CVD）在技术上比分子束外延(MBE)更有前景。采用高质量原子层沉积和化学气相沉积在硅上产生高介电系数值的闸极介电层取得的最新进展使III–V基体的集成方面得到优化（7）。界面缺陷密度为（1012 cm[负2次方] eV[−1次方]）的耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管的闸极堆栈最近通过采用原子层沉积法把氧化铝沉积到俱生氧化层覆盖的砷化镓上得到解决（8–10）。氧气中600–650 °C的退火使电流-电压滞环和频率色散度最小化并使闸极堆叠式电容最大化。透射电镜（TEM）显示了明显锐化的氧化铝 /砷化镓界面，因此推测俱生氧化层在原子层沉积过程得以去除。原子层沉积的氧化铝也形成了砷化镓（11）和铝镓氮/氮化镓（12）的良好的闸极堆栈特性，或许可用来等形涂布复合半导体纳米线（13）。比较而言，有关III–V 半导体应用中最重要的高介电值闸极介电物氧化铪的研究鲜见发表（14,15）。

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