《半导体器件绪论》PPT课件.ppt

中国科学技术大学物理系微电子专业 半导体器件原理 Theory of Semiconductor Devices 联系方式 Date1 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 前言 半导体器件进展 Date2 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Date3 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Date4 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Date5 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Date6 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Date7 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Date8 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Date9 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Date10 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Date11 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 MOS device 12 中国科学技术大学物理系微电子专业 CMOS Technology for 25 nm Channel Length 13 中国科学技术大学物理系微电子专业 CMOS Technology for 25 nm Channel Length 14 中国科学技术大学物理系微电子专业 Chandrasakan lab UWB project chips Date15 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Chandrasakan lab UWB project chips Date16 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Date17 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Date18 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Date19 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Date20 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Original Motivation: Moores Law 1950 1970 1990 2010 2030 1 m 1 cm Year VLSI Integrated circuits Transistor Vacuum valves Molecular dimensions 1 mm 10 nm 1 A Device size From Intel Date21 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Date22 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 “摩尔定律”：处理器(CPU)的功能和 复杂性每年(其后期减慢为18个月)会 增加一倍，而成本却成比例地递减。 在技术上，摩尔定律依然勇往直前 Date23 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Si Substrate Metal Gate High-k Tri-Gate S G D III-V S Carbon Nanotube FET 50 nm 35 nm 30 nm SiGe S/D Strained Silicon Future options subject to research Easy to wire up (compared to quantum dots); Rich and versatile properties. Date29 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 CNT is a tubular form of carbon with diameter as small as 1 nm. Length: few nm to cm. CNT is configurationally equivalent to a two dimensional graphene sheet rolled into a tube. CNT exhibits: 1. Carrier mobility 100,000 cm2/Vs 2. Youngs modulus over 1 Tera Pascal, as stiff as diamond; 3. Tensile strength 200 GPa. CNT can be metallic or semiconducting, depending on chirality. Date30 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 CNT FETs Gate 8nm HfO2 SiO2 p+ Si PdPd CNT Delft : Tans, et al., Nature, 393, 49, 1998 Javey, et al., Nano Letters, 4, 1319, 2004 Appenzeller, et al., PRL, 93, 19, 2005 Drain Source Gate DrainSource Gate Sapphire Substrate Gate Oxide Liu, et al., Nano Letters, 6, 34, 2006 Date31 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Traditional approach: On-Site Synthesis of Single-Walled Carbon Nanotubes Si SiO2 PMMA Catalyst CH4 nanotube Catalyst island 900 C metal electrode H. Dai, et al, Nature 395, 878 (1998). Date32 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Infrastructure: Nanotube CVD Generation I 1 mm 1 mm 2.6 nm in diameter 1.0 nm in diameter High-quality nanotubes can be grown at specific positionsVg: -4 V 0 V 2 V 6 V Nanotube transistor can be easily produced. Si back gate SiO2 SD Date33 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Toward Integrated Nanotube Systems Si back gate SiO2 K n type SD Potassium sourceVg: 6 V 4 V 2 V 0 V Potassium doping: 1. Heat up a potassium source; 2. Electron transfer from K to the nanotube reverts the doping from p type to n type. N-type Field Effect Transistor Date34 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Integrated Nanotube Systems: Complementary Carbon Nanotube Inverter “Carbon Nanotube Field-Effect Inverters“, X. Liu, R. Lee, J. Han, C. Zhou, Appl. Phys. Lett. 79, 3329 (2001). One of the first integrated systems made of carbon nanotubes. Si back gate K Vin Vout VDDGND p-type CNTn-type CNT P type MOSFET:N type MOSFET: VinVout 0 V VDD p n Date35 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Date36 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Biosensor Arrays Date37 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Si Nanowires as DNA sensors Microfluidic process PNA-DNA duplex PNA receptor Lieber, 4, 51, 2004 Avidin-modified NW was linked with biotinylated PNA probes, and followed by DNA hybridization. Date38 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 Si Construction of DNA / Protein Chips Automated Measurements Array of Sensors with various Probe molecules Key challenge: Selective functionalization of different nanowires? Date39 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 按比例缩小的主要挑战 超大尺寸晶片的不断增大 亚100nm分辨率的光刻系统 超小尺寸的逻辑存贮器件 多级互连的寄生RC延迟 微电子产业的高额投资 Date40 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 微电子小型化的极限 固体的最小尺寸 功耗限制 电压或电流感应击穿的限制 噪声限制 Heisenberg不确定原理的限制 Date41 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 解决途径 新材料：非晶硅，多晶硅，SiGe，-族复合 半导体，有机材料，宽禁带半导体（SiC、GaN ） 新结构器件 新互连方法：铜连线、低K，光连接等。 深亚微米尺度下器件和电路设计CAD工具 新电路 新电源：板上太阳能，生物电，空间微波等 纳米技术 3D电路 Date42 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 小结 总结与展望： 双极型晶体管 化合物半导体器件 MOSFET 功率器件 量子器件 光电子器件 Date43 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 内容：课程章节 本课是一门重要的专业基础课 了解半导体器件的工作原理，物理概念和 器件特性。 掌握研究半导体器件工作原理和器件特性 的基本方法，为从事半导体器件的研制和 应用打下基础。 Date44 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 前言 半导体器件进展 第一章： 半导体物理基础 半导体材料、半导体能带、本征载流子浓度、 载流子输运现象、非本征载流子及光学性质。 第二章： p-n结 热平衡下的pn结，耗尽区（耗尽层）和耗尽层 电容，直流特性，pn结的瞬态特性，结击穿， 异质结与高低结。 第三章： 双极型晶体管 基本原理，静态特性，频率响应和开关特性， 异质结晶体管HBT、可控硅器件。 课程章节 Date45 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 课程章节 第四章： 单极型器件 金半接触，肖特基势垒二极管，结型场效应晶体管，肖特基 栅场效应晶体管，异质结MESFET。 第五章： MOS器件（MOSFET） MOS结构及MOS二极管，MOS场效应晶体管MOSFET， CMOS器件,电荷耦合器件。 第六章：新型器件介绍 微波器件，隧道二极管，共振隧穿二极管RTD，碰撞电离雪 崩二极管IMPATT，转移电子器件。 光电子器件，发光二极管，半导体激光器，光电探测器，太 阳能电池，量子阱激光器。 基础：半导体物理基本概念、pn结、结型场效应晶体管。 重点：双极型晶体管、化合物半导体器件、MOS器件。 Date46 半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业 教材及主要参考书 教材： 半导体器件物理 孟庆巨 刘海波 孟庆辉编著，科学出版 社，2005年 半导体器件物理基础曾树荣编著，北京大学出版社，2007年 参考书： S. M.Sze,Physics of Semiconductor Devices, 2nd Ed, Wiley, 198