第六章新型半导体器ppt课件

1、 中国科学技术大学物理系微电子专业第六章： 新型半导体器件6.1 现代现代MOS器件器件 6.2 纳米器件纳米器件6.3 微波器件微波器件6.4 光电子器件光电子器件6.5 量子器件量子器件 中国科学技术大学物理系微电子专业Si SubstrateMetal GateHigh-kTri-GateSGDIII-VSCarbon Nanotube FET50 nm35 nm30 nmSiGe S/DStrained SiliconFuture options subject to research & changeSiGe S/DStrained Silicon90 nm65 nm45 nm32

2、nm20032005200720212021+Technology GenerationSource: Intel20 nm10 nm5 nm5 nm5 nmNanowireManufacturing Development ResearchTransistor ResearchResearch Options:High-K & Metal GateNon-planar TrigateIII-V, CNT, NW 中国科学技术大学物理系微电子专业 中国科学技术大学物理系微电子专业 中国科学技术大学物理系微电子专业 中国科学技术大学物理系微电子专业 中国科学技术大学物理系微电子专业6.1 现代现

3、代MOS器件器件 ULSI开展的两个主要方向：深亚微米与亚0.1微米集成和系统的芯片集成。 因此需求对深亚微米和亚0.1微米工艺、器件和电路技术，器件的构造和相应的物理机理的研讨。微小MOSFET中的一些物理效应，如器件尺寸变小，通常的一维器件模型需求修正，出现二维、三维效应，同时还会出现各种强电场效应。 中国科学技术大学物理系微电子专业一、MOSFET的按比例减少 近20年来，恒压按比例减少规那么的运用比较胜利，但随着工艺的开展，器件性能和集成密度进一步提高，目前逐渐逼近其根本的物理极限。 假设要进一步提高集成电路的性能，那么需求思索更多的要素，而不仅仅是简单的按比例减少器件尺寸。需求同时在

4、降低电源电压、提高器件性能和提高器件可靠性等三个方面之间进展折衷选择。 金属栅和高K栅介质的运用 中国科学技术大学物理系微电子专业 中国科学技术大学物理系微电子专业 中国科学技术大学物理系微电子专业 中国科学技术大学物理系微电子专业 中国科学技术大学物理系微电子专业 实验结果阐明，在进展折衷的过程中，源、漏结的参数，尤其是结深、RSD和结的突变性是至关重要的要素。虽然这种阅历方法不是很理想，而且难以符合基于根本物理规律的按比例减少规那么，但是这种阅历方法更准确、更适用一些。这是由于当器件横向尺寸的变化使器件的纵、横向以及其他各方向上的参数错综复杂地相互作用时，器件的三维特性越加突出；同时由于根

5、本物理极限的限制，对亚0.1m器件的进一步减少变得非常困难，这主要包括超薄栅氧化层的制造；源、漏超浅结的构成以及小尺寸器件必需在很低的电源电压下任务所带来的问题等。截至目前为止，器件和ULSI CMOS工艺开展的实践情况是器件的各个部分都在减少。 中国科学技术大学物理系微电子专业二、现代MOS器件的一些物理效应 短沟道效应短沟道效应 SCE 微小尺寸效应，狭义的定义，是指随沟微小尺寸效应，狭义的定义，是指随沟道缩短，阈值电压减小道缩短，阈值电压减小n沟或增大沟或增大p沟的效应沟的效应VT roll off。 VT roll off景象包括景象包括VDS很低时测定很低时测定VT随随Lg变化和变化

6、和VDS很高时很高时VT随随Lg的变化。的变化。 中国科学技术大学物理系微电子专业 DIBL效应与器件穿通效应与器件穿通 DIBL即漏电压感应源势垒下降效应，是器件二维效应即漏电压感应源势垒下降效应，是器件二维效应与强电场效应结合的结果。当漏结加较大的电压时，结电与强电场效应结合的结果。当漏结加较大的电压时，结电场向源区开展，由于沟道很窄，使漏结电场与源结相耦合，场向源区开展，由于沟道很窄，使漏结电场与源结相耦合，当当VDS高到一定程度，漏的结电场就会影响源高到一定程度，漏的结电场就会影响源pn结的势垒，结的势垒，使之降低，这便是使之降低，这便是DIBL效应。一个明显结果是使效应。一个明显结果

7、是使VT降低，降低，由于源势垒下降，就可用较低栅压使器件开启。由于源势垒下降，就可用较低栅压使器件开启。 由于在一定的由于在一定的VDS下，下，Lg越小越小DIBL导致的越大，因此导致的越大，因此DIBL也产生也产生VT roll off，而且，而且VDS越高，越高，VT roll off效应效应越显著。同时越显著。同时DIBL效应会影响效应会影响MOSFET的亚阈区特性，的亚阈区特性，包括使包括使S和和Ioff退化。因此在深亚微米与亚退化。因此在深亚微米与亚0.1微米的设计微米的设计中要防止或抑制中要防止或抑制DIBL效应。效应。 中国科学技术大学物理系微电子专业热载流子注入Injectio

8、n of Hot Carrier 热载流子退化热载流子退化 在短沟道下，假设电压较大，横向沟道方向在短沟道下，假设电压较大，横向沟道方向和纵向垂直沟道方向的电场强度会大大加强。和纵向垂直沟道方向的电场强度会大大加强。在强电场作用下，载流子能量大大提高，使其平在强电场作用下，载流子能量大大提高，使其平均才干远大于均才干远大于kT，或等效载流子温度，或等效载流子温度Te超越环境超越环境晶格温度晶格温度T，这时的载流子称为热载流子。，这时的载流子称为热载流子。 热载流子效应热载流子效应 热载流子注入引起热载流子注入引起MOSFET器件性能退化的效器件性能退化的效应应 中国科学技术大学物理系微电子专业

9、 中国科学技术大学物理系微电子专业 栅感应漏极漏电栅感应漏极漏电GIDL 当器件处于关态当器件处于关态VGS=0时，在漏与栅交叠处的栅氧时，在漏与栅交叠处的栅氧化层中存在很强的电场化层中存在很强的电场3106V/cm，对于，对于NMOSFET，此电场方向由漏指向栅，漏极半导体内部电，此电场方向由漏指向栅，漏极半导体内部电势远高于界面处电势，即在漏极交叠部分接近界面区势远高于界面处电势，即在漏极交叠部分接近界面区的能带发生剧烈的向上弯曲，乃至外表反型为的能带发生剧烈的向上弯曲，乃至外表反型为p型。由于型。由于杂质浓度大，该反型层下的耗尽区极窄，使之导带电子可杂质浓度大，该反型层下的耗尽区极窄，使

10、之导带电子可以直接隧道穿透到反型层的价带区，与衬底流过来的空穴以直接隧道穿透到反型层的价带区，与衬底流过来的空穴复合。因此，电子由漏极流入，空穴由衬底流入，构成了复合。因此，电子由漏极流入，空穴由衬底流入，构成了漏结的漏电流，这就是漏结的漏电流，这就是GIDL。 GIDL效应和漏区上的栅效应和漏区上的栅SiO2层质量亲密相关，因此它层质量亲密相关，因此它与工艺条件而改动。与工艺条件而改动。GIDL是关态电流是关态电流Ioff的主要组成，必的主要组成，必需被限制在额定需被限制在额定Ioff值之内，这也是栅氧化层厚度下限的值之内，这也是栅氧化层厚度下限的一个根源。实验证明，对于优质的栅一个根源。实

11、验证明，对于优质的栅SiO2层，厚度到层，厚度到1.5nm仍将是平安的。仍将是平安的。 中国科学技术大学物理系微电子专业 迁移率的强电场效应和漂移速度饱和迁移率的强电场效应和漂移速度饱和 迁移率的电场效应对于提高深亚微米和迁移率的电场效应对于提高深亚微米和0.1m ULSI MOSFET的电流驱动才干，以的电流驱动才干，以致对决议其任务速度有决议性意义，因此致对决议其任务速度有决议性意义，因此在器件构造设计中如何坚持尽能够高的迁在器件构造设计中如何坚持尽能够高的迁移率是一个关键课题。同时由于漂移速度移率是一个关键课题。同时由于漂移速度会饱和，因此光靠高电场来提高电流驱动会饱和，因此光靠高电场来

12、提高电流驱动才干是有限的。才干是有限的。 中国科学技术大学物理系微电子专业 漂移速度过冲 速度过冲是非稳态统计过程的产物，要以非稳态玻尔兹曼方程求解，或用蒙特卡罗方法来处置。在能量平衡之前的弛豫时间内漂移速度超越饱和值，即速度过冲。漂移速度过冲景象在GaAs等高迁移率半导体中为实验所普遍证明。通常的MOSFET模型建立在漂移分散模型DD模型 DriftDiffusion Model的根底上，根本方程是泊松方程、电流延续方程和稳态玻尔兹曼方程。在深亚微米时期，器件二维模型，联解泊松方程、延续性方程和瞬态玻尔兹曼方程，进展数值分析，但计算量很大，并不可取。因此引入水力学模型，运用能量输运方程、载流

13、子输运方程和电流延续方程加以联解，目前已被许多二维数值分析程序采用。 中国科学技术大学物理系微电子专业 二维量子化 深亚微米器件的沟道掺杂浓度高达31017cm3以上，栅氧化层低达1.55nm，在1几伏电压下，即可使外表反型层的电场强度很强，外表能带剧烈弯曲，使载流子被局域在很窄的沟道势阱内，这种局域化导致垂直于界面方向载流子运动的量子化，使传导载流子成为只能在平行界面方向运动的二维电子气。二维量子化使能量呈阶梯型的子带，使电子波函数呈调制的二维平面波，同时也会影响载流子迁移率等参数。所以，对深亚微米、亚0.1m MOS ULSI器件必需思索量子力学QM效应。 中国科学技术大学物理系微电子专业

14、 沟道杂质起伏沟道杂质起伏 对于沟长度在对于沟长度在0.11m量级的量级的MOSFET，沟道中，沟道中的电离杂质可以小到只需几十个原子，因此杂质的电离杂质可以小到只需几十个原子，因此杂质原子含量的统计起伏可导致对器件性能的明显影原子含量的统计起伏可导致对器件性能的明显影响，这种起伏无论在一个圆片内的各芯片之间或响，这种起伏无论在一个圆片内的各芯片之间或各圆片之间都不可防止，因此会呵斥产品的一致各圆片之间都不可防止，因此会呵斥产品的一致性问题，对于性问题，对于ULSI的可消费性必需思索这种效应。的可消费性必需思索这种效应。杂质起伏主要反映在器件阈值电压的起伏上。杂质起伏主要反映在器件阈值电压的起

15、伏上。 中国科学技术大学物理系微电子专业6.2 纳米器件根本问题：1、器件尺寸减少对工艺技术的挑战2、栅氧化层减薄的限制3、量子效应的影响 4、杂质随机分布的影响5、阈值电压减小的限制6、源、漏区串联电阻的影响 中国科学技术大学物理系微电子专业 中国科学技术大学物理系微电子专业SOI MOS器件 中国科学技术大学物理系微电子专业Cross-sectional view of a self-aligned poly-silicon gate transistor with LOCOS isolation 中国科学技术大学物理系微电子专业围栅MOS器件 中国科学技术大学物理系微电子专业Carbon

16、 NanotubesNanowiresQuantum DotsAdvantages for one-dimensional nanostructures:Atomic precision available via chemical synthesis;Easy to wire up (compared to quantum dots);Rich and versatile properties. 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 c

17、m.CNT is configurationally equivalent to a two dimensional graphene sheet rolled into a tube.CNT exhibits:Carrier mobility 100,000 cm2/VsYoungs modulus over 1 Tera Pascal, as stiff as diamond;3. Tensile strength 200 GPa.CNT can be metallic or semiconducting, depending on chirality. 中国科学技术大学物理系微电子专业C

18、NT FETsGate 8nm HfO2SiO2p+ SiPdPdCNTDelft : Tans, et al., Nature, 393, 49, 1998Javey, et al., Nano Letters, 4, 1319, 2004Appenzeller, et al., PRL, 93, 19, 2005DrainSourceGateDrainSourceGateSapphire SubstrateGateOxideLiu, et al., Nano Letters, 6, 34, 2006 中国科学技术大学物理系微电子专业Traditional approach: On-Site

19、 Synthesis of Single-Walled Carbon NanotubesSiSiO2PMMACatalystCH4nanotubeCatalyst islandmetal electrodeH. Dai, et al, Nature 395, 878 (1998). 中国科学技术大学物理系微电子专业 1 mm 1 mm1 mm2.6 nm in diameter 1.0 nm in diameter High-quality nanotubes can be grown at specific positions-60-50-40-30-20-100IDS(nA)-1.0-0.

20、8-0.6-0.4-0.20.0VDS(V)Vg: -4 V 0 V 2 V 6 VNanotube transistor can be easily produced.Si back gateSiO2SD 中国科学技术大学物理系微电子专业Si back gateSiO2Kn typeSDPotassium source6005004003002001000IDS (nA)1.00.20.0VDS (V)Vg: 6 V 4 V 2 V 0 VPotassium doping:1. Heat up a potassium source;2. Electron transfer

21、from K to the nanotube reverts the doping from p type to n type.N-type Field Effect Transistor 中国科学技术大学物理系微电子专业Integrated Nanotube Systems:Complementary Carbon Nanotube InverterCarbon Nanotube Field-Effect Inverters, X. Liu, R. Lee, J. Han, C. Zhou, Appl. Phys. Lett. 79, 3329 (2001).One of the first

22、 integrated systems made of carbon nanotubes.Si back gateKVinVoutVDDGNDp-type CNTn-type CNT6040200IDS(nA)-4 -2024Vg(V)VDS=10 mVP type MOSFET:12840IDS (nA)-4 -2024Vg (V)VDS=10 mVN type MOSFET:2.52.01.51.00.50.0Vout(V)2.52.01.51.00.50.0Vin(V)VDD=2.9 VVinVout0 VVDDpn 中国科学技术大学物理系微电子专业6.3 微波器件 微波频率覆盖范围从1

23、GHz109Hz到1000GHz，相应的波长从30cm到0.03cm。其中30到300GHz频段，因其波长是10到1mm，故称为毫米波带。更高的频率称为亚毫米波带。 中国科学技术大学物理系微电子专业主要微波半导体器件概略称号常用资料任务原理主要功能变容二极管Si GaAspn结非线性电容效应，电极随偏压变化参量放大、倍频、电调谐pin二极管Si利用高阻i层在正、反向偏压下对p+i结和n+i结注入载流子的存贮和扫出作用所具有的可变电阻特性实现信号的控制。微波开关、移相器、衰减器隧道二极管GaAsGaSb隧道穿透，负微分电阻本机振荡器锁频电路IMPATT二极管Si GaAs雪崩和渡越时间效应产生大

24、功率微波振荡BARITT二极管Si势垒注入和渡越时间效应本机振荡多普勒检波器 中国科学技术大学物理系微电子专业TEDGaAsInP不同能谷间电子转移效应所导致的负阻特性微波振荡放大肖特基二极管SiGaAs金属半导体接触的整流效应及非线性电阻特性混频检波微波双极晶体管Si由电流控制的对输入信号的放大作用，电子和空穴参与输运过程低噪声放大功率放大微波振荡微波异质结双极晶体管AlxGa1-xAs/GaAsInP/InGaAsPSi/SiGe同上同上微波GaAs MESFETGaAs由电压控制的对输入信号的放大作用，多数载流子输运同上高电子迁移率晶体管HEMTAlxGa1-xAs/GaAs经过由电压控

25、制的高迁移率2DEG浓度和运动的变化实现对输入信号的控制与放大同上 中国科学技术大学物理系微电子专业6.4 光电子器件 LED产生光子发射的主要条件是系统必需处于非平衡形状即，半导体内需求有某种激发过程存在，经过非平衡载流子的复合，才干构成发光 中国科学技术大学物理系微电子专业 辐射复合：带带复合、浅施主-价带或导带-浅受主间复合施、受主的电离能都很小，跃迁与带-带跃迁很难区别，但由于引入杂质能级位于K为000外，那么使动量守恒定律较易满足，提高了直接跃迁几率、施、受主之间的复合、经过深能级的复合、等电子圈套等 非辐射复合：多声子复合、俄歇复合、外表复合 中国科学技术大学物理系微电子专业GaA

26、s(direct) 直接带隙半导体，都是常用的发光资料 对于象GaAs这一类直接带隙半导体，直接复合起主要作用，因此内部量子效率比较高。但从晶体内实践能逸出的光子却非常少。Si(indirect) 中国科学技术大学物理系微电子专业激光器Laser 1976年左右，光纤的传输损耗在波长大于1m时波长越大损耗越小，但在长波长带没有半导体激光器。GaInAsP系列的激光器可以从长波长任务。 发光二极管的发光加受激辐射 受激辐射三个条件 1。粒子数反转 2。构成光谐振腔 3。满足一定的阈值条件 中国科学技术大学物理系微电子专业 结型激光器中，垂直于结面的两个严厉平行的抛光解理面和另一对与之垂直的平行粗

27、糙面构成了所谓法布里-帕罗腔。两个抛光解理面就是谐振腔的反射镜面。 中国科学技术大学物理系微电子专业 结型激光器中，垂直于结面的两个严厉平行的抛光解理面和另一对与之垂直的平行粗糙面构成了所谓法布里-帕罗腔。两个抛光解理面就是谐振腔的反射镜面。结型激光器构造 中国科学技术大学物理系微电子专业Single heterojunction laser 中国科学技术大学物理系微电子专业太阳能电池 太阳能电池对于空间和地面运用都是很有用的。它能给卫星长时间继续供电。由于太阳能电池能以高转换效率直接将太阳光转变成电力，以相当低廉的价钱提供几乎永久性的动力，而且实践上不呵斥任何污染，因此它也是地球上新型能源的

28、重要候选者。 太阳能电池起支配作用的有效过程是光吸收 中国科学技术大学物理系微电子专业 非晶硅-Si也可以用来制造太阳能电池，用射频辉光放电分解硅烷的方法，在金属或玻璃衬底上淀积几微米厚的非晶硅薄层，-Si的有效禁带宽度是1.5eV，它的光吸收特性如图6.27所示。虽然-Si太阳能电池的效率10%比单晶硅太阳能电池的效率低，但是它的造价却低得多，因此，-Si太阳能电池是大规模利用太阳能的主要器件之一。 中国科学技术大学物理系微电子专业光电探测器 光电探测器是可以把光信号转变成电信号的半导体器件。光电探测器的任务过程包括下面三个步骤：1入射光产生载流子；2载流子输运和或被某种能够存在的电流增益机

29、构倍增；3电流和外电路相互作用，提供输出信号。 中国科学技术大学物理系微电子专业 光电探测器有广泛的运用，其中包括用作光隔离器中的红外传感器和光纤通讯探测器。对于这些运用，光电探测器在任务的波长范围内必需具有高灵敏度、高的呼应速度及低噪声。此外光电探测器应该小型坚实，偏置电压、偏置电流低，在所要求的任务条件下运用可靠。 中国科学技术大学物理系微电子专业光电二极管 光电二极管根本上是一个任务在反向偏置下的p-n结。当光信号射到二极管上时，耗尽区把光产生的电子-空穴对别分开，在外电路中产生电流。在高频任务时，耗尽区必需很薄以减小渡越时间；但另一方面，为了添加量子效率，耗尽层又必需足够厚，以便能吸收

30、大部分入射光，因此，应该兼顾呼应速度和量子效率。 中国科学技术大学物理系微电子专业量子效率量子效率是每个入射光子产生的电子-空穴对的数目： 式中Ip是吸收波长为相应的光子能量为h、功率为Popt的入射光产生的光电流。决议的关键要素之一是吸收系数图6.27。由于和波长有剧烈的依赖关系，因此能产生明显光电流的波长范围是有限制的。长波限C由禁带宽度式6-25决议，例如对于锗是1.8m，对于硅为1.1m。当波长大于C时，值太小，缺乏以产生显著的带到带的吸收。光呼应也有短波限，这是由于波长很短时，值很大105cm-1，大部分辐射在外表附近被吸收，而外表的复合时间又很短，因此光生载流子在被p-n结搜集之前

31、就曾经被复合掉了。 hPqIp光 中国科学技术大学物理系微电子专业 在紫外光和可见光区，金属-半导体光电二极管有很高的量子效率；在近红外区，硅光电二极管有抗反射涂层在0.8m到0.9m附近, 量子效率可达100%；在1.0m到1.6m的区域,锗光电二极管和III-V族光电二极管(如GaInAs)有很高的量子效率。对于更长的波长，为了获得高的量子效率，光电二极管需进展冷却例如冷却到77K。 中国科学技术大学物理系微电子专业呼应速度 呼应速度受以下三个要素限制:(1)载流子的分散；2在耗尽层内的漂移时间；3耗尽层电容。在耗尽层外边产生的载流子必需分散到p-n结，这将引起可观的时间延迟。为了将分散效应减到最小，结应尽能够接近外表。当耗尽层足够宽时，光被吸收的量将最大。不过，耗尽层又不能太宽，否那么渡越时间会限制频率呼应。耗尽层又不能太薄，否那么电容C过大，使时间常数RC变得很大，这里R是负载电阻。耗尽层宽度的最正确折衷方案是使耗尽层渡越时间近似等于调制周期的一半。例如，调制频率为2GHz时，硅的最正确耗尽层宽度约为25m饱和