（微电子学与固体电子学专业论文）bnrt与pbnrt的器件模拟和实验研究.pdf

论文摘要木 随着现代信息技术的广泛应用和深入研究，以光纤通信、光互连为代表的光 电子技术得到了飞速发展，其中，光信号的传输、光电转换和处理、光的调制和解 调等过程，都迫切需要不断研制出性能忧异的新型光电器件。而光电负阻器件具 有多种光电功能，可广泛应用于光探测、光放大、光耦合、光电自动控制等领 域，因此，新型光电负阻器件的研制具有十分重要的意义。 本论文围绕着“硅光电负阻器件的研究”这一科研项目，对三端双向负阻晶 体管( b n r t ) 和光电双向负阻晶体管( p b n r t ) 进行了模拟研究和实验研究。首 先利用$ i l v a c 0 的器件模拟软件a t l a s ，首次对b n r t 的三端特性进行了研究。 根据器件模拟得到的器件内部电势和电场分布，解释了s 型负阻特性产生机理。 分别从模拟和实验得到了输出负阻曲线随控制电压变化情况，结果表明，随控制 电压的增大，转折电压、转折电流和维持电压均增大，表现为负阻曲线右移，击 穿点上移。模拟结果和实验结果一致。进一步模拟研究了半导体材料的物理参 数、结构设计的几何参数以及工艺参数对三端b n r t 负阻特性的影响，为器件 优化设计提供指导。 在三端b n r t 研究的基础上，对其进行了光敏化，研制出p b n r t ，给出了 其等效电路模型；p b n r t 在光电混合工作模式下具有光控电流开关效应，其光电 s 型负阻特性可通过光照和控制电压两种方式予以控制，模拟和实验结果均表 明：光照强度增大，维持电压基本保持不变，转折电压减小，负阻电压摆幅减 小：而增大控制电压，维持电压和转折电压均增大，输出负阻特性曲线右移。最 后，采用p b n r t 组成了光控正弦波振荡器和光控张弛振荡器，对它的实际应用 进行了初步探索。 这些研究结果表明，p b n r t 作为一种光控高速负阻器件，具有多种光电功 能，可望在光电开关、光控振荡、光放大及光电探测等方面有很好的应用前景。 本论文的工作是进一步研究的基础。 关键词：三端b n r t 器件模拟s 型双向负阻p b n r t 光控电流开关 木本论文得到国家自然科学基金项目资助( 基金项目批准号：6 9 4 7 7 0 1 1 ) a b s t r a c t + w i 也t h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o na n di n t e n s i v er e s e a r c ho fm o d e mi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，p h o t o e l e c t r i ct e c h n o l o g i e sl e db yo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o na n do p t i c a l i n t e r c o n n e c th a s g o t f a s t d e v e l o p m e n tw h e r eo p t i c a ls i g n a l t r a n s m i s s i o n ，p h o t o e l e c t r i c i t y c o n v e r s i o na n dp r o c e s s i n g , o p t i c a lm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o na r ei n u r g e n td e m a n df o rt h ed e v e l o p m e n to fn o v e lp h o t o e l e c t r i cd e v i c e sw i t he x c e l l e n t p e r f o r m a n c e s i n c ep h o t o e l e c t r i cn e g a t i v e r e s i s t a n c ed e v i c e sh a v em u l t i f o l d p h o t o e l e c t r i cf u n c t i o n sa n dc a l lb ew i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l d so fo p t i c a ld e t e c t i o n ， o p t i c a la m p l i f i c a t i o n ，o p t i c a lc o u p l i n g a n d p h o t o e l e c t r i c a u t o m a t i c c o n t r o l ，i t i s e s s e n t i a lt od e v e l o pn o v e lp h o t o e l e c t r i cn e g a t i v er e s i s t a n c ed e v i c e s t h e p a p e ri sb a s e do n t h es c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c t ，w h i c hi sn a m e d “r e s e a r c h o ns i l i c o np h o t o e l e c t r i cn e g a t i v er e s i s t a n c ed e v i c e s ”，a n df o c u s e do nt h es i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h r e e t e r m i n a lb i d i r e c t i o n a l n e g a t i v er e s i s t a n c et r a n s i s t o r ( b n r t ) a n dp h o t o - b i d i r e c t i o n a ln e g a t i v er e s i s t a n c et r a n s i s t o r ( p b n r t ) f i r s t l y , 谢t h t h ea i do fd e v i c es i m u l a t i o ns o f t w a r ea t l a sf r o ms i l v a c oi n c t h et h r e et e r m i n a l c h a r a c t e r i s t i c so fb n r tw e r ei n v e s t i g a t e df o rt h ef i r s tt i m e a c c o r d i n gt ot h ee l e c t r i c f i e l da n dp o t e n t i a ld i s t r i b u t i o ni nt h ed e v i c eo b t a i n e d b y d e v i c e s i m u l a t i o n ，w e e x p l a i n e dt h em e c h a n i s mi n d u c i n gt h e s t y p en e g a t i v er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s i n a d d i t i o n ，t h ed e p e n d e n c eo fo u t p u tn e g a t i v er e s i s t a n c ec u r v eo nc o n t r o l l e dv o l t a g ew a s a n a l y z e d b o t h e x p e r i m e n t a l l ya n db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a t s n a p b a c kv o l t a g e ，s n a p b a c kc u r r e n ta n ds u s t a i n i n gv o l t a g ei n c r e a s e sa sc o n t r o l l e d v o l t a g e i n c r e a s e s s i m u l a t e da n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a g r e ew e l l m o r e o v e r , w e s i m u l a t e dt h r e e - t e r m i n a lb n r tw i t hd i f f e r e n ts e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l p h y s i c a l p a r a m e t e r s ，d i f f e r e n ts t r u c t u r ea n dp r o c e s sp a r a m e t e r s ，a n ds u m m a r i z e dt h ei n f l u e n c e s o f t h e s ep a r a m e t e r s u p o nn e g a t i v ec h a r a c t e r i s t i c si no r d e r t oo p t i m i z et h ed e v i c e d e s i g n b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h et h r e et e r m i n a lb n r t t h ep h o t o - b i d i r e c t i o n a l n e g a t i v e r e s i s t a n c et r a n s i s t o r ( p b n r t ) w a sd e s i g n e da n df a b r i c a t e db ym e a n so f p h o t o - s e n s i t i z a t i o n ，i t se q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l w a sa l s op r o p o s e d p b n r th a s p h o t o c o n t r o l l e dc u r r e n ts w i t c h i n ge f f e c ti nt h eo p t i c a la n de l e c t r i cm i x e do p e r a t i n gm o d e ， a n di t s s n e g a t i v er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c sc 锄b em o d u l a t e db yt w od i f f e r e n tc o n t r o l l e d w a y s ，u s i n gl i g h ta n dc o n t r o l l e dv o l t a g er e s p e c t i v e l y t h es i m u l a t e da n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s b o t hi n d i c a t et h a to ni n c r e a s i n go p t i c a li n t e n s i t y ，s u s t a i n i n gv o l t a g ea l m o s tr e m a i n s u n c h a n g e d a n d s n a p b a c kv o l t a g ed e c r e a s e s ，t h u sr e d u c i n g t h en e g a t i v er e s i s t a n c ev o l t a g er a n g e ；w h i l ea s i i c o n t r o l l e d v o l t a g e i n c r e a s e s ，s u s t a i n i n g v o l t a g e a n d s n a p b a c kv o l t a g e b o t h i n c r e a s e a c c o r d i n g l y ，o u t p u tn e g a t i v er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i ec u r v es h i f t sr i g h t f i n a l l y ，u s i n gp b n r t w ef o r m e dp h o t o c o n t r o l l e ds i n u s o i d a lo s c i l l a t o ra n dr e l a x a t i o n o s c i l l a t o r , p r o b e di t s p r a c t i c a la p p l i c a t i o n sp r i m a r i l y a l lt h e s es t u d i e si n d i c a t et h a ta sat y p eo fp h o t o c o n t r o l l e dh i 曲一s p e e dn e g a t i v e r e s i s t a n c ed e v i c e ，p b n r th a sm a n yk i n d so fp h o t o e l e c t r i cf u n c t i o n s ，a n dc a r lb e e x p e c t e d t oh a v ea p r o m i s i n ga p p l i c a t i o np r o s p e c ts u c hu sp h o t o - c o n t r o l l e do s c i l l a t i o n ， o p t i c a la m p l i f y o p t i c a ld e t e c ta n ds oo n n l ew o r kc o n d u c t e di nt h i st h e s i si st h eb a s e f o rm o r ea d v a n c e dr e s e a r c h e sc o n t i n u e d k e yw o r d s ：t h r e e t e r m i n a lb n r t ；d e v i c es i m u l a t i o n ；s t y p e b i d i r e c t i o n a l n e g a t i v er e s i s t a n c e ；p b n r t ；p h o t o - c o n t r o h e dc u r r e n t s w i t c h p r o j e as u p p o r t e db y n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n o f c h i n a ( n o 6 9 4 7 7 0 11 ) i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：，陈厶 签字日期： 矿驴年 ，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基洼盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特授权 鑫盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：j 囊1 1 7 粤师签名 铷维 签字日期：2 ，“p 年，月莎日签字日期：6 年，月如日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 新型硅光电负阻器件研究的重要性“1 随着现代社会信息化和科学技术的高度发展，超大容量信息的高速处理、 交换、存储、传输是目前世界各国酱遍高度重视的研究热点之一。以微电子技术 为基础，以计算机技术和通信技术为代表的电子信息技术带来了一场彻底改变人 类生活和工作的信息革命。目前，微电子技术发展非常迅速，电路功能齐全，性 能完善，价格低廉，集成制造工艺相当成熟，在信息处理和存储方面具有极强的 优势。而正得到迅速发展的另- - f l 高新技术一光子集成技术能够高速超大容量传 输信息，并具有实时、高速并行处理与交换信息能力，与微电子技术紧密结合， 相互渗透，相互补充，构成微光电子集成系统，广泛地应用于信息技术领域，将 成为二十一世纪信息技术的重要支柱，推进人类社会信息化和光电子高新技术产 业化更快地向更高的水平发展。微电子器件有逻辑处理、存储能力强等优点，光 予器件有高速高密度并行操作及输入，输出强等优点。它们的结合在光互联、光 交换、光通信、图象信号处理、模式识别、神经网络、光信息处理与存储等领域 具有很广泛的应用前景。 半导体光电器件是微电子技术和光电子技术结合的产物，在遥感、遥控、 自动控制、光通信、太阳能利用、计算技术等方面得到广泛的应用，是现代电子 仪器和通信设备必不可少的重要器件。简单的电光和光电器件引入了光的作用 后，利用光信号的耦合作用在电路中实现了电信号的隔离，能有效的提高电路系 统的功能，增加其抗干扰性，安全性和可靠性。利用光信号的发射，传输和接收， 可以为人们提供对电器实现灵活巧妙的遥控方式。在光通信领域中，光电器件在 光信号和电信号的相互转换中的作用更是不可缺少的。此外，为了解决高性能大 规模并行计算机系统互连网络中由于电互连的带宽限制、串话、寄生效应、电磁 场干扰等固有缺陷，目前国际广泛开展研究的光互连网络，其主要内容也是集中 在对高速高性能的光电逻辑开关器件的研究上。 在光电系统中，光信号在传输、转换及耦合过程中，所采取的形式和所具 有的功能，在很多方面主要取决于现有种类的光电器件。高速发展的科技社会， 迫切需要不断的研制出新颖的光电器件，以便能够满足对现有的光电处理系统和 单元电路进行简化或改善其性能的需要。无疑，新类型的光电器件的研制及其应 用方式的探索，具有极为重要的意义。可以预测二十一世纪是光电子与微电子紧 密结合发挥作用的时代。本文正是致力于对一种新型光电负阻器件一光电双向负 第一章绪论 阻晶体管的研究。 三五族化合物材料制作的光电器件因其具有较高的发光效率和速度快等特 点，一直是光电子学研究领域的主导。但是由于使用化合物半导体材料及m b e 或m o c v d 加工制作技术，使得光电器件价格昂贵，同时存在着不易于硅i c 集 成的问题，因而一直难以获得普遍的应用。针对这些问题，伴随着化合物半导体 光电负阻器件的研究与开发，人们又反过来研究如何利用廉价的硅材料制作光电 器件。由于硅材料本身的限制，硅光电器件的应用只能限制在光接收方面。然而 硅器件一直是半导体器件研究生产的主流，因此有成熟的理论和工艺做基础，使 硅光电器件的应用有着潜在的广大市场。例如，有报道用标准c m o s 工艺可实 现有特定光谱响应范围的光电二极管【2 】；集成了p i n 的c m o so e i c ( 光电集成电 路) 可用于d v d 系统中和光信号传输【3 训。以上这些结果表明，硅光电器件将在 光信息处理方厩和光通信方面有广泛的应用前景。 在这种背景下，天津大学电信学院微电子技术系新型器件研究小组先后提出 了“硅光电负阻器件的研究”和“高频高速硅光电负阻器件的研究”课题，分别 得到国家自然科学基金资助( 基金项目号6 9 4 7 7 0 1 1 ) 和天津市自然科学基金资 助( 基金项目号9 8 3 6 0 1 4 1 1 ) ，在硅光电负阻器件的构成原理、设计、研制、模 拟、理论分析和应用方面取得了一系列成果【5 “”。 1 2 负阻器件的发展现状 光电负阻器件的主要特征体现在负阻特性上，所以对光电负阻器件的研究就 要先从对负阻器件的认识和了解开始。所谓负阻器件就是反映在器件的输出i v 特性曲线上，其微分电阻具有负的斜率部分。按照器件的输出特性，可将负阻器 件分成电压控制型负阻器件和电流控制型负阻器件： ( 1 ) 电压控制型负阻器件，其i v 特性为“n ”型或“九”型，如图1 1 所示， 对应于某一电流值存在多个电压值，或者说负阻区由某一电压范围确定。 三端电压控制型负阻器件的一般性工作原理可以归结为：运用正反馈的概 念，通过一定的物理机制或一个反馈器件，使产生负阻特性的主器件( 双 极或场效应器件) 输出端电流随输出端电压的增长而减小，于是在主器件 的输出端i v 特性曲线上出现一个负斜率区，从而得到微分负阻效应。双 基区晶体管( d u b a t ) 和丸型晶体管( u 玎) 均属于这一类负阻器件。 ( 2 ) 电流控制型负阻器件，其i - v 特性为“s ”型，如图1 - 2 所示，对应于某一电 压值存在多个电流值，或者说负阻区由某一电流范围确定。同电压控制型 一样，三端电流控制型负阻器件通过器件内在的物理机制或正反馈作用， 2 第一章绪论 使产生负阻特性的主器件的端电压随端电流的增大而减小，于是在主器件 的输出特性曲线上出现了一个负斜率区，从而得到微分负阻效应。这种器 件的特点在于，对一个给定的端电压值可能有多个电流值，但对于一个给 定的端电流值，只存在一个端电压值。具有这种特性的负阻器件在未达到 临界的转折电压之前，可认为是关断的。当电压一旦超过转折电压，电流 便会突然增大。其负阻产生的机理相对于电压控制型三端负阻器件来说要 复杂一些，它们往往通过半导体器件内部的一些特殊效应，如雪崩倍增效 应，使器件在导通后出现负的微分电阻。本论文所研究的双向负阻晶体管 ( b n r t ) 就属于这一类负阻器件。 图1 1 电压控制型负阻特性图l 一2 电流控制型负阻特性 负阻器件、负阻电路在导航、遥控、遥感、遥测、雷达、通讯、自动控制、 计算机系统、化工安全系统、检测保险系统、电气工程、乃至日常生活用品中都 有着广泛的用途 1 6 】。因此国内外许多著名的科研机构、高等院校，都在组织力 量对负阻器件进行深入的研究，例如清华大学，武汉大学，大连理工大学，中科 院半导体所等。 关于负阻器件的研究要追溯到1 9 1 8 年。a w h u l l 发明世界上第一个负阻 器件_ d y n a n d n ( 达拿负阻管) ，从此人们开始了对负阻器件的研究。随着 “d y n a t r o n 负阻管”的诞生起，人们很快发现许多真空管也具有这种负阻特性。 于是人们又纷纷利用真空管进行研究，这大约持续了4 0 年。这可以说是负阻器 件、负阻电路发展的第一个时期。 之后，1 9 5 2 年埃伯斯( j t j e b e r s ) 提出，1 9 5 6 年摩尔( j 。l 。m o l l ) 等研制 1 9 】 出晶闸管。 1 9 5 8 年日本的江崎( l e oe s a k i ) 【2 0 】在研究简并锗p - n 的内场发射过程中发 现了“反常的”正向电流一电压特性，即在正向特性曲线部分有负阻区。他用量 子隧穿概念解释了这种反常特性，并在隧道理论和实验结果之间取得了相当好的 第一章绪论 一致。从而研制成功了第一个负阻固态器件一隧道二极管。由于该器件可制作微 波振荡器，因而在雷达、通信、自动控制、计算机系统等科技领域发挥了巨大的 作用。因此，江崎于1 9 7 3 年获得了诺贝尔奖。隧道二极管问世5 年后，另一种 新型的两端固态负阻器件g u l u l d i o d e ( 耿氏二极管) 2 u 诞生，于是，种新 的物理效应耿氏效应捌，又轰动于世。固态负阻器件的出现可以定为负 阻研究发展的第二个时期。 1 9 8 4 年，中国科学院半导体所宣告1 2 3 - 2 4 】：我国首创种新型的半导体负阻 开关器件一双向负阻晶体管。我国的许多学报和杂志，对此纷纷做了报道，在国 内外引起了巨大的反响，并荣获1 9 8 8 年北京国际发明展金奖。本论文即围绕该 器件进行了详尽的器件模拟和实验研究，并在此基础上研制出了光电双向负阻晶 体管这一新型光电器件。 1 9 8 6 年1 2 月，美国贝尔实验室郑重宣布：该实验室试制成功了第一个隧道 晶体管。 上述的有关负阻特性和负阻器件的研究，大部分都是围绕着利用材料本身的 物理效应和机制而进行的。 7 0 年代，展现众多功能的集成负阻器件纷纷出现。利用双极型晶体管、j f e t 、 m o s f e t 和一些电阻的组合产生新的负阻器件和负阻电路也得到了广泛的研究 2 5 - 3 3 o 负阻电路的设计也日臻完善，愈加规范化。在生产、科研，以及人们的生 活中，负阻器件、负阻电路也以它固有的特点发挥了更大的作用。这是负阻器件、 负阻电路发展的第三个时期。 随着时代的前进，我国不仅成批生产隧道二极管系列、单结晶体管系列的 负阻器件，而且由我国首创的一些新型的负阻器件、负阻晶体管也相继问世。负 阻器件不仅在控制系统和信号产生系统得到应用，而且已经开始在红外、激光器 等方面得到应用。 1 3 硅光电负阻器件的发展现状 对新型光电器件的研究，在当前的国际学术科研领域内，不仅吸引着众多 的科研团体和科学工作者，而且被认为是当代信息社会高科技发展中极为莺要的 研究领域。在八十年代，对光电负阻器件的研究还不多见，特别是硅集成型光电 负阻器件的研究，在若干年间，仅有一、二篇报道口4 】文章，其后在很长的一段 时期内少有报道。 1 9 8 4 年，d a b m i l l e r 3 5 1 在研究量子阱非线性效应时发现当这种p i n 结构 量子阱器件上加上垂直于量子阱的电场后，激子吸收峰位置和强度就会发生变 4 第一章绪论 化，加以适当的反馈元件，器件可表现出光双稳特性，从而发明了s e e d ( s e i f e l e c t r o o p t i c e f f e c td e v i c e ) 光电负阻器件。这是八十年代后期迅速发展起来一 种新颖的光电混合型光逻辑开关器件。它利用超晶格量子阱二维自由激子吸收在 外电场作用下的非线性变化，通过外部反馈元件的正反馈作用可实现光双稳功 能，通过多量子阱电吸收及色散效应可对光强进行调制，从而实现光调制开关功 能。s e e d 一般是用分子束外延或m o c v d 生长多量子阱化合物半导体材料，所 制器件开关速度很快，可达n s 量级或更低，可实现光探测、光调制、光开关、 光逻辑、光存储、光电电光转换等多种功能1 3 6 3 7 。尽管s e e d 光电负阻器件具 有多种优点，但是由于存在着不易与硅的i c 集成等问题，因而一时难以获得普 遍的应用。针对这些问题，伴随着对化合物半导体光电负阻器件的研究与开发， 人们又开始研究如何利用硅材料制作光电负阻器件【3 “。 硅集成化电控负阻器件的深入研究为硅光电负阻器件的发展奠定了基础， 在电控负阻器件的基础上，合理的引进光注入，就可以巧妙地变电控负阻器件为 光电负阻器件 6 。7 j 。这一改变看似简单，然而对信号的传输和处理来说，却产生 了本质上的差别，它可以利用光信号传输的特点来克服和改善电信号在产生、传 输中的不足。 另一方面，为了提高原有的常规光电器件的性能使其能够满足新的需求的 研究中，研究者们也发现并注意到了，在伴随着对常规的硅光电器件的结构改变 以达到提高其性能的研究过程中所引起的光电负阻现象 3 8 - 4 ，并正在给予深入的 研究，这也从另一个侧面表明硅光电负阻器件的出现是为满足提高原有常规的硅 光电器件功能的需求应运而生的必然结果。也就是说，是光电器件发展的必然产 物。 硅光电负阻器件( s i l i c o np h o t o e l e c t r o n i cn e g a t i v er e s i s t a n c ed e v i c e ，通常简 称为s p n r d ) 是由三端负阻器件与硅探测器件相结合能产生光电负阻特性或通 过光照能改变负阻特性的一类光电器件。其特点表现为：同时兼有光敏和负阻 双重特性；具有“n ”或“s ”型光电负阻特性 器件结构具有多样性： 其光电功能也具有多样性；易与硅工艺兼容，便于集成化；它是一种复合型 或集成型器件，因而其响应速度和工作频率不是很高，多用于光电自动控制等领 域。硅光电负阻器件有以下两种工作模式：光注入模式；以光为输入信号，工 作时器件接两个端点：光电混合模式：光和电都为输入信号，工作时接器件三 个端点。 硅光电负阻器件的研究，我国只能说刚刚起步。天津大学电予信息工程学 院微电子技术专业以郭维廉教授为首的新型器件研究小组，致力于硅集成负阻器 件和硅光电负阻器件的研究，受到国家自然科学基金和天津市自然科学基金资 5 第一章绪论 助，其研究成果处于国内领先水平【4 ”，目前已研制出光电表面控制晶体管 ( p n e g i t ) 、光电双基区晶体管( p d u b a t ) 、光电九型双极晶体管( p l b t ) 和 光电双向负阻晶体管( p b n r t ) 等四种不同结构的硅光电负阻器件，在这些器件中 发现了光控电流开关、光控正弦波振荡、光控脉冲调频、光学双稳态光等光电功 能，为该类器件的应用奠定了基础。 1 4 论文研究内容及主要创新点 1 4 1 研究内容 本课题是国家自然科学基金资助项目“硅光电负阻器件的研究”和天滓市自 然科学基金资助项目“高频高速硅光电负阻器件的研究”中的一部分。研究内容 主要包括：利用s i l v a c o 器件模拟软件包对双向负阻晶体管( b n r t ) 做器件 模拟，利用模拟结果对其s 型负阻产生机理进行分析，调整结构参数和工艺参数 对器件性能进行优化，建立b n r t 器件模型，采用分立器件搭建b n r t 等效电路 进行实验测试，与模拟结果进行比较；在b n r t 研究基础上，设计研制出两种版 图结构的光电双向负阻晶体管( p b n r t ) ，分别进行器件模拟和实验研究，分析 光照和控制电压对负阻特性的影响，建立p b n r t 的光电模型，对p b n r t 的实 际应用进行初步探索。 1 4 2 主要创新点 一直以来对双向负阻晶体管( b n r t ) 的研究仅限于两端，本论文首次对b n r t 三端特性进行了详尽分析。首先通过器件模拟得到控制端电压非零条件下b n r t 内部电势和反偏结电场( 直接影响到雪崩倍增) 分布情况，进而根据这些结果分 段讨论了b n r t “s ”负阻工作机理：此外，进一步模拟研究了半导体材料的物理 参数、结构设计的几何参数以及工艺参数等因素对b n r t 负阻特性的影响，为器 件优化设计提供指导。 建立了三端b n r t 的器件模型和电路模型，分另q 从二维数值模拟和实验两个方 面获得了b n r t 负阻特性曲线随第三端电压的变化情况，两者结果一致，随控制 电压的增大，转折电压、转折电流和维持电压均增大，表现为输出曲线右移，击 穿点上移。利用此结果，可大大增加其在电路中的应用灵活性。 在双向负阻晶体管的基础上，对其进行了光敏化，研制出光电双向负阻晶体管 ( p b n r t l ，给出了其等效电路模型。 通过数值模拟和实验两方面解释了p b n r t 光电s 型负阻和光控电流开关效 6 第一章绪论 应。p b n r t 的光电s 型负阻特性可通过光照和控制电压两种方式予以控制，分 别通过数值模拟和实验详细分析了它们对p b n r t 输出负阻特性的具体影响，控 制电压对p b n r t 影响同b n r t ，随光强的增大，p b n r t 转折电压减小，而维持 电压基本不变，负阻摆幅减小，数值模拟和实验结果一致。 采用p b n r t 组成了光控正弦波振荡器和光控张弛振荡器，对其在实际电路中 的应用进行了初步探索。 第二章半导体器件模拟的方法、软件和模型 第二章半导体器件模拟的方法、软件和模型 2 1 器件模拟基础知识“”1 2 1 1 器件模拟定义 器件模拟是指在给定材料成分、物理结构和掺杂分布条件下，通过半导体器 件模拟程序求解半导体器件的基本方程和其它有关方程得到器件结构中静电势、 电子浓度、空穴浓度与空间和时间关系，并在此基础上获得不同偏压下和不同时 间下器件的伏安特性和各种器件参数。 2 1 2 器件模拟的发展过程 早在4 0 年代末，在双极性晶体管问世后不久就出现了晶体管理论模型。但 那时为了能用解析方法求解微分方程，不得不作许多近似处理，例如小注入近似、 均匀基区近似等。但实际的晶体管并不满足这些近似，因而分析结果难于真实的 反映实际情况。近年来器件尺寸越来越小，人们企图在一维理论的基础上加以扩 展而引入二阶效应方面曾做了大量研究，如m o s 器件中y a u 等人的电荷共享模 型，它采用二维梯度模型来考虑源区和漏区耗尽区的存在对阈值电压的影响，并 假设结和耗尽层的边界是圆柱形的，它在一定程度上说明了短沟道效应的原因。 但是随着器件结构的迸一步优化，圆柱形的假设已不再成立，因而模型就无效了。 随着计算机技术和数值求解方法的迅速发展，使我们有可能用数值分折方法直接 求解半导体器件的基本方程，求解时只要作少数几个假设就行。通过器件模拟我 们可以深入了解器件内部的器件特性，深入了解影响器件性能的各种因素，以便 于控制器件的性能和进行优化设计。如通过器件模拟可了解m o s f e t 的穿通电 流( p u n c h t h r o u g hc u r r e n t ) ，可确定穿通时的端电压条件，还可确定在空间穿通点 的位置。而这种性能的研究，参数的确定可以在器件的实际制作以前全面展开， 这就大大地推动了器件的改进和新器件的研制。 我们还可以将工艺模拟和器件模拟结合起来，可把工艺模拟所求得的半导体 内部的杂质分布直接送入器件模拟程序，使器件模拟的效率大为提高，并能直接 研究工艺条件、工艺参数对器件性能的影响，这也是器件模拟得到广泛应用的一 个重要原因。当然我们还是希望有新的解析模型出现，因为解析模型对设计者了 解器件中各参数之间的相互作用很有帮助，但目前随着器件尺寸越来越小，建立 第二章半导体器件模拟的方法、软件和模型 新解析模型的工作越来越因难，一些假设变得更受限制并更为复杂。因此在实际 工作中，往往利用数值模拟来验证解析模型的正确性和精度，甚至从数值分析中 得到简化的解析模型。 最早的器件模拟工作只限于一维分析，它的优点是花费代价比较小而得到比 较严格形象的器件工作状态。在一维器件模拟方面开发的程序有美国斯坦梅大学 的s e d a n 程序，西德亚琛大学的m e d u s a 程序等。随着v l s i 集成电路的发展，一 维模拟分析已不能适应要求，因而从7 0 年代开始了二维器件模拟，并进而发展 为三维器件模拟，但这些模拟工作都要花费大量的计算机时，有的还要求在大型 计算机上或并行计算机上进行。在二维器件模拟方面，比较著名的程序有 p i s c e s 、m e d i c i 、s i l v a c o 、m i n i m o s 等。p i s c e s 是学生版本的二维器件模拟程 序。m e d i c i 是p i s c e s 的商用化的版本，可以模拟的内容较多，说明书写的很细 致，模型介绍的很详细，容易选择到正确的模型，例子写的也很详细，基本上是 s t e pb ys t e p ，使用起来很方便。s i l v a c o 可以模拟的内容更多，特点是图形功 能强，有专门的图形显示软件包，可以显示更多的结果，但因版本公布的仓促， 说明书写的不细，使用起来不太方便。 2 1 3 器件模拟的意义 器件模拟具有重要意义，首先在制造这个器件前的模拟可以缩短研制周期 和节约研制经费，少走弯路。即有了想法先在计算机上看是否能实现，器件先在 计算机上做。其次对已经研制出的器件再进行模拟也有意义，例如进行更深入的 理论研究和性能的判断，有些器件的物理模型并不是十分清晰，器件模拟程序从 半导体器件基本方程出发，可以反应器件的真实性，可将诸如载流子的流动形象 化表达，可以帮助人们在脑子里建立清晰的物理概念。有些不易测量参数，比如 g h z 的高频响应，噪声、低温性能等都可以模拟出来，还有一些无法测量的量， 例如耗尽区的边界、电流等流线、等势线等都可以用二维图显示出来，模拟制作 的器件是可视的v i s u a lw a f e rf a b r i c a t i o n 此外，用模拟这个工具还可以使 一个不是十分精通计算的人仍可以完成精确设计，例如不十分了解光学矩阵算法 的人设计分布布拉格发射器( d b r ) ，例如不十分了解微分方程数值解和有限差分 方法的人去解空间格点的差分方程。 2 1 4 器件模拟的求解过程 器件模拟的过程实际上就是对半导体基本方程进行时间和空间的离散化，求 解它们的数值解的过程。空间的离散化是将待模拟器件划分成一个个小网格，以 9 第二章半导体器件模拟的方法、软件和模型 各个网格的物理量作未知数建立方程式，将所有网格上的方程联立求解，即可得 到器件内部电势、电子、空穴等物理量的分布情况。 2 14 1 半导体基本方程 基本方程包括泊松方程和载流子连续性方程。在二维情况下的泊松方程和载 流子连续方程如下： 肉2 q ( pn + 蜕一m ) 一n ( 2 1 ) 署一z u 。= y a w p ) ( 2 2 ) 研口 7 詈2 口u ，2 0 ( 蜘棚 ( 2 3 ) 模拟程序的基本功能是能自洽地解这三个微分方程，其中n 、p 分别为电子和空 穴浓度，v 为电势，在模拟程序中总是定义为内费米势，即w = t i j 。n 。+ 和 n f 是离化的掺杂浓度，p 。是由绝缘材料中的固定电荷和有电荷填充的表面态密 度造成的表面电荷密度，e 是介电常数。 载流子的输运方程由取决于电场的漂移项和取决于载流子浓度梯度的扩散 项之和所决定，即有 j 。= q , u 。en + q dv n ( 2 4 ) j p = q pp e ，p q bp v p 0 2 5 b 其中u 。p 。是电子和空穴的迁移率，d n 和d 。是电子和空穴的扩散系数，一般讲， 电场e n 和e p 是不相等的，只有在均匀能带结构且不考虑能带变窄效应，并采用 玻耳兹曼统计时，e n 才等于e p ，且 e = e 。= e = - v q ： ( 2 6 ) 在非简并半导体中自由载流子有玻耳兹曼能量分布，载流子浓度与静电势之间有 如下关系： 胛：n 。e 咖一“t 1 备k( 2 7 )胛= 已 7 ( 2 7 ) g ( y r 。) p = p o e 腑 ( 2 8 ) 其中n 。是本征载流子浓度，同样在非简并假定下，载流子迁移率和扩散系数之 间保持爱因斯坦关系，即 1 0 第二章半导体器件模拟的方法、软件和模型 见：一k t 从 g ( 2 9 ) j d ，= 些， ( 2 1 0 ) 鲜 2 1 ，4 2 基本方程的离散化 为了求得数值解，首先要对偏微分方程进行空间和时间的离散化。我们可 以把空间的离散化看成是在有限的求解空间中布上网格，然后用中心差分法把 微分方程转换成差分方程。 在维情况下，可将被分析的器件划分成若干个格点，如图2 - 1 ，网格的 示意图见图2 - 2 。 l l 上j l l _ l _ 1 n x 图2 1 把求解空间分成n 个格点 4 1 5 辅格点辅格点 舀x ( t ) 未必x ( t + l 埘 图2 - 2 网格的示意图 厶厶 丘 图2 3 矩形和三角形二维网格 现将基本变量静电势1 l r 、r l 、p 定义在格点上，并认为j 。、j p 、u 。、up 、 e 各变量在第i 格点和i + l 格点间为常数，即定义在辅格点上。最简单的为等 步长差分网格。但是由于器件内部1 l r 、n 和p 的变化在某些区域会非常剧烈， 而在其它某些区域变化又会非常缓慢，为了得到足够的求解精度，往往采用变 步长的差分网格。 在二维器件模拟程序中，最常用的网格有两种：矩形和三角形。如图2 3 所示。矩形网格中最典型的是变步长差分网格，每个格点与周围的4 个格 点相联。这种网格简单、规则性强，由于可变步长，网格的效率有所改善，但 第二章半导体器件模拟的方法、软件和模型 在处理非平面界面时这种网格会遇到较大困难。三角形网格则能克服这些缺 点，可以很方便地处理各种非平面问题，此外，由于能够进行局部加密，因此 网格的效率很高。对三角形网格，每个格点和与此格点相比邻的三角形有关。 变步长矩形、三角形网格应用于双向负阻晶体管的一个例子如图2 4 。网格的 间距在x 方向和y 方向上都是可变的。 在器件模拟时，由于程序的执行时间和储存量的需求直接与离散空间的 图2 - - 4 变步长和矩形、三角形网格应用于双向负阻晶体管 格点数有关，因而在模拟时，减少格点数目就成为一个重要的问题。 2 14 3 边界条件 器件的边界条件通常包括欧姆接触、绝缘材料界面和反射边界。对于欧 姆接触，我们假设符合热平衡状态和电中性条件，即有： n p = n j ( 2 1 1 ) n p n = 0 ( 2 1 2 ) 求解上述方程，可得欧姆接触处的载流子浓度n s 和p