第六章-新型半導體器件課件

第六章：新型半導體器件§6.1現(xiàn)代MOS器件§6.2納米器件§6.3微波器件§6.4光電子器件§6.5量子器件8/1/20231半導體器件物理第六章：新型半導體器件§6.1現(xiàn)代MOS器件7/3SiSubstrateMetalGateHigh-kTri-GateSGDIII-VSCarbonNanotubeFET50nm35nm30nmSiGeS/DStrainedSiliconFutureoptionssubjecttoresearch&changeSiGeS/DStrainedSilicon

90nm 65nm 45nm 32nm 2003 2005 2007 2009 2011+ TechnologyGenerationSource:Intel20nm10nm5nmNanowireManufacturingDevelopmentResearchTransistorResearchResearchOptions:High-K&MetalGateNon-planarTrigateIII-V,CNT,NW8/1/20232半導體器件物理SiSubstrateMetalGateHigh-kTr8/1/20233半導體器件物理7/31/20233半導體器件物理8/1/20234半導體器件物理7/31/20234半導體器件物理8/1/20235半導體器件物理7/31/20235半導體器件物理8/1/20236半導體器件物理7/31/20236半導體器件物理§6.1現(xiàn)代MOS器件ULSI發(fā)展的兩個主要方向：深亞微米與亞0.1微米集成和系統(tǒng)的芯片集成。因此需要對深亞微米和亞0.1微米工藝、器件和電路技術，器件的結構和相應的物理機理的研究。微小MOSFET中的一些物理效應，如器件尺寸變小，通常的一維器件模型需要修正，出現(xiàn)二維、三維效應，同時還會出現(xiàn)各種強電場效應。8/1/20237半導體器件物理§6.1現(xiàn)代MOS器件ULSI發(fā)展的兩個主要方向：深亞微米一、MOSFET的按比例縮小近20年來，恒壓按比例縮小規(guī)則的使用比較成功，但隨著工藝的發(fā)展，器件性能和集成密度進一步提高，目前逐漸逼近其基本的物理極限。如果要進一步提高集成電路的性能，則需要考慮更多的因素，而不僅僅是簡單的按比例縮小器件尺寸。需要同時在降低電源電壓、提高器件性能和提高器件可靠性等三個方面之間進行折衷選擇。金屬柵和高K柵介質(zhì)的應用8/1/20238半導體器件物理一、MOSFET的按比例縮小近20年來，恒壓按比例縮小規(guī)則的8/1/20239半導體器件物理7/31/20239半導體器件物理8/1/202310半導體器件物理7/31/202310半導體器件物理8/1/202311半導體器件物理7/31/202311半導體器件物理8/1/202312半導體器件物理7/31/202312半導體器件物理實驗結果表明，在進行折衷的過程中，源、漏結的參數(shù)，尤其是結深、RSD和結的突變性是至關重要的因素。盡管這種經(jīng)驗方法不是很理想，而且難以符合基于基本物理規(guī)律的按比例縮小規(guī)則，但是這種經(jīng)驗方法更準確、更實用一些。這是由于當器件橫向尺寸的變化使器件的縱、橫向以及其他各方向上的參數(shù)錯綜復雜地相互作用時，器件的三維特性越加突出；同時由于基本物理極限的限制，對亞0.1μm器件的進一步縮小變得非常困難，這主要包括超薄柵氧化層的制作；源、漏超淺結的形成以及小尺寸器件必須在很低的電源電壓下工作所帶來的問題等。截至目前為止，器件和ULSICMOS工藝發(fā)展的實際情況是器件的各個部分都在縮小。8/1/202313半導體器件物理實驗結果表明，在進行折衷的過程中，源、漏結的參數(shù)，尤其是結深二、現(xiàn)代MOS器件的一些物理效應短溝道效應（SCE）微小尺寸效應，狹義的定義，是指隨溝道縮短，閾值電壓減?。╪溝）或增大（p溝）的效應（VTrolloff）。VTrolloff現(xiàn)象包括VDS很低時測定VT隨Lg變化和VDS很高時VT隨Lg的變化。

8/1/202314半導體器件物理二、現(xiàn)代MOS器件的一些物理效應短溝道效應（SCE）7/DIBL效應與器件穿通DIBL即漏電壓感應源勢壘下降效應，是器件二維效應與強電場效應結合的結果。當漏結加較大的電壓時，結電場向源區(qū)發(fā)展，因為溝道很窄，使漏結電場與源結相耦合，當VDS高到一定程度，漏的結電場就會影響源pn結的勢壘，使之降低，這便是DIBL效應。一個明顯結果是使VT降低，因為源勢壘下降，就可用較低柵壓使器件開啟。

因為在一定的VDS下，Lg越小DIBL導致的越大，因此DIBL也產(chǎn)生VTrolloff，而且VDS越高，VTrolloff效應越顯著。同時DIBL效應會影響MOSFET的亞閾區(qū)特性，包括使S和Ioff退化。因此在深亞微米與亞0.1微米的設計中要避免或抑制DIBL效應。

8/1/202315半導體器件物理DIBL效應與器件穿通7/31/202315半導體器件物理熱載流子注入（InjectionofHotCarrier）熱載流子退化

在短溝道下，如果電壓較大，橫向（溝道方向）和縱向（垂直溝道方向）的電場強度會大大增強。在強電場作用下，載流子能量大大提高，使其平均能力遠大于kT，或等效載流子溫度Te超過環(huán)境（晶格）溫度T，這時的載流子稱為熱載流子。熱載流子效應熱載流子注入引起MOSFET器件性能退化的效應8/1/202316半導體器件物理熱載流子注入（InjectionofHotCarrie8/1/202317半導體器件物理7/31/202317半導體器件物理柵感應漏極漏電（GIDL）

當器件處于關態(tài)（VGS=0）時，在漏與柵交疊處的柵氧化層中存在很強的電場（>3×106V/cm），對于NMOSFET，此電場方向由漏指向柵，漏極半導體內(nèi)部電勢遠高于界面處電勢，即在漏極（交疊部分）靠近界面區(qū)的能帶發(fā)生強烈的向上彎曲，乃至表面反型為p型。因為雜質(zhì)濃度大，該反型層下的耗盡區(qū)極窄，使之導帶電子可以直接隧道穿透到反型層的價帶區(qū)，與襯底流過來的空穴復合。因此，電子由漏極流入，空穴由襯底流入，形成了漏結的漏電流，這就是GIDL。GIDL效應和漏區(qū)上的柵SiO2層質(zhì)量密切相關，因此它與工藝條件而改變。GIDL是關態(tài)電流Ioff的主要組成，必須被限制在額定Ioff值之內(nèi)，這也是柵氧化層厚度下限的一個根源。實驗證明，對于優(yōu)質(zhì)的柵SiO2層，厚度到1.5nm仍將是安全的。8/1/202318半導體器件物理柵感應漏極漏電（GIDL）7/31/202318半導體器件遷移率的強電場效應和漂移速度飽和

遷移率的電場效應對于提高深亞微米和0.1μmULSIMOSFET的電流驅(qū)動能力，以至對決定其工作速度有決定性意義，因此在器件結構設計中如何保持盡可能高的遷移率是一個關鍵課題。同時因為漂移速度會飽和，因此光靠高電場來提高電流驅(qū)動能力是有限的。8/1/202319半導體器件物理遷移率的強電場效應和漂移速度飽和7/31/202319半導

漂移速度過沖速度過沖是非穩(wěn)態(tài)統(tǒng)計過程的產(chǎn)物，要以非穩(wěn)態(tài)玻爾茲曼方程求解，或用蒙特卡羅方法來處理。在能量平衡之前的弛豫時間內(nèi)漂移速度超過飽和值，即速度過沖。漂移速度過沖現(xiàn)象在GaAs等高遷移率半導體中為實驗所普遍證實。通常的MOSFET模型建立在漂移擴散模型（DD模型Drift－DiffusionModel）的基礎上，基本方程是泊松方程、電流連續(xù)方程和穩(wěn)態(tài)玻爾茲曼方程。在深亞微米時期，器件二維模型，聯(lián)解泊松方程、連續(xù)性方程和瞬態(tài)玻爾茲曼方程，進行數(shù)值分析，但計算量很大，并不可取。因此引入水力學模型，使用能量輸運方程、載流子輸運方程和電流連續(xù)方程加以聯(lián)解，目前已被許多二維數(shù)值分析程序采用。8/1/202320半導體器件物理漂移速度過沖7/31/202320半導體器件物理

二維量子化深亞微米器件的溝道摻雜濃度高達3×1017cm－3以上，柵氧化層低達1.5~5nm，在1～幾伏電壓下，即可使表面反型層的電場強度很強，表面能帶強烈彎曲，使載流子被局域在很窄的溝道勢阱內(nèi)，這種局域化導致垂直于界面方向載流子運動的量子化，使傳導載流子成為只能在平行界面方向運動的二維電子氣。二維量子化使能量呈階梯型的子帶，使電子波函數(shù)呈調(diào)制的二維平面波，同時也會影響載流子遷移率等參數(shù)。所以，對深亞微米、亞0.1μmMOSULSI器件必須考慮量子力學（QM）效應。8/1/202321半導體器件物理二維量子化7/31/202321半導體器件物理溝道雜質(zhì)起伏對于溝長度在0.11μm量級的MOSFET，溝道中的電離雜質(zhì)可以小到只有幾十個原子，因此雜質(zhì)原子含量的統(tǒng)計起伏可導致對器件性能的明顯影響，這種起伏無論在一個圓片內(nèi)的各芯片之間或各圓片之間都不可避免，因此會造成產(chǎn)品的一致性問題，對于ULSI的可生產(chǎn)性必須考慮這種效應。雜質(zhì)起伏主要反映在器件閾值電壓的起伏上。8/1/202322半導體器件物理溝道雜質(zhì)起伏7/31/202322半導體器件物理§6.2納米器件基本問題：1、器件尺寸縮小對工藝技術的挑戰(zhàn)2、柵氧化層減薄的限制3、量子效應的影響4、雜質(zhì)隨機分布的影響5、閾值電壓減小的限制6、源、漏區(qū)串聯(lián)電阻的影響8/1/202323半導體器件物理§6.2納米器件基本問題：7/31/202323半導體器件8/1/202324半導體器件物理7/31/202324半導體器件物理SOIMOS器件8/1/202325半導體器件物理SOIMOS器件7/31/202325半導體器件物理Cross-sectionalviewofaself-alignedpoly-silicongatetransistorwithLOCOSisolation

8/1/202326半導體器件物理Cross-sectionalviewofaself圍柵MOS器件8/1/202327半導體器件物理圍柵MOS器件7/31/202327半導體器件物理BuildingBlocksforNanoelectronicsCarbonNanotubesNanowiresQuantumDotsAdvantagesforone-dimensionalnanostructures:Atomicprecisionavailableviachemicalsynthesis;Easytowireup(comparedtoquantumdots);Richandversatileproperties.

8/1/202328半導體器件物理BuildingBlocksforNanoelectrCarbonNanotubeCNTisatubularformofcarbonwithdiameterassmallas1nm.Length:fewnmtocm.CNTisconfigurationallyequivalenttoatwodimensionalgraphenesheetrolledintoatube.CNTexhibits:Carriermobility~100,000cm2/VsYoung’smodulusover1TeraPascal,asstiffasdiamond;3.Tensilestrength~200GPa.CNTcanbemetallicorsemiconducting,dependingonchirality.8/1/202329半導體器件物理CarbonNanotubeCNTisatubulaCNTFETsGate8nmHfO2SiO2p++SiPdPdCNTDelft:Tans,etal.,Nature,393,49,1998Javey,etal.,NanoLetters,4,1319,2004Appenzeller,etal.,PRL,93,19,2005DrainSourceGateDrainSourceGateSapphireSubstrateGateOxideLiu,etal.,NanoLetters,6,34,20068/1/202330半導體器件物理CNTFETsGate8nmHfO2SiO2p++STraditionalapproach:On-SiteSynthesisofSingle-WalledCarbonNanotubesSiSiO2PMMACatalystCH4nanotubeCatalystisland900oCmetalelectrodeH.Dai,etal,Nature395,878(1998).8/1/202331半導體器件物理Traditionalapproach:On-SiteInfrastructure:NanotubeCVDGenerationI

1mm1mm2.6nmindiameter

1.0nmindiameter

High-qualitynanotubescanbegrownatspecificpositionsVg:-4V0V2V6VNanotubetransistorcanbeeasilyproduced.SibackgateSiO2SD8/1/202332半導體器件物理Infrastructure:NanotubeCVDGTowardIntegratedNanotubeSystemsSibackgateSiO2KntypeSDPotassiumsourceVg:6V4V2V0VPotassiumdoping:1. Heatupapotassiumsource;2. ElectrontransferfromKtothenanotuberevertsthedopingfromptypetontype.N-typeFieldEffectTransistor8/1/202333半導體器件物理TowardIntegratedNanotubeSysIntegratedNanotubeSystems:

ComplementaryCarbonNanotubeInverter"CarbonNanotubeField-EffectInverters",X.Liu,R.Lee,J.Han,C.Zhou,Appl.Phys.Lett.79,3329(2001).Oneofthefirstintegratedsystemsmadeofcarbonnanotubes.SibackgateKVinVoutVDDGNDp-typeCNTn-typeCNTPtypeMOSFET:NtypeMOSFET:VinVout0VVDDpn8/1/202334半導體器件物理IntegratedNanotubeSystems:

C§6.3微波器件

微波頻率覆蓋范圍從1GHz（109Hz）到1000GHz，相應的波長從30cm到0.03cm。其中30到300GHz頻段，因其波長是10到1mm，故稱為毫米波帶。更高的頻率稱為亞毫米波帶。8/1/202335半導體器件物理§6.3微波器件微波頻率覆蓋范圍從1GHz（109Hz主要微波半導體器件概況名稱常用材料工作原理主要功能變?nèi)荻O管SiGaAspn結非線性電容效應，電極隨偏壓變化參量放大、倍頻、電調(diào)諧pin二極管Si利用高阻i層在正、反向偏壓下對p+i結和n+i結注入載流子的存貯和掃出作用所具有的可變電阻特性實現(xiàn)信號的控制。微波開關、移相器、衰減器隧道二極管GaAsGaSb隧道穿透，負微分電阻本機振蕩器鎖頻電路IMPATT二極管SiGaAs雪崩和渡越時間效應產(chǎn)生大功率微波振蕩BARITT二極管Si勢壘注入和渡越時間效應本機振蕩多普勒檢波器8/1/202336半導體器件物理主要微波半導體器件概況常用材料工作原理主要功能變?nèi)荻O管SiTEDGaAsInP不同能谷間電子轉(zhuǎn)移效應所導致的負阻特性微波振蕩放大肖特基二極管SiGaAs金屬半導體接觸的整流效應及非線性電阻特性混頻檢波微波雙極晶體管Si由電流控制的對輸入信號的放大作用，電子和空穴參與輸運過程低噪聲放大功率放大微波振蕩微波異質(zhì)結雙極晶體管AlxGa1-xAs/GaAsInP/InGaAsPSi/SiGe同上同上微波GaAsMESFETGaAs由電壓控制的對輸入信號的放大作用，多數(shù)載流子輸運同上高電子遷移率晶體管（HEMT）AlxGa1-xAs/GaAs通過由電壓控制的高遷移率2DEG濃度和運動的變化實現(xiàn)對輸入信號的控制與放大同上8/1/202337半導體器件物理TEDGaAs不同能谷間電子轉(zhuǎn)移效應所導致的負阻特性微波振蕩§6.4光電子器件LED產(chǎn)生光子發(fā)射的主要條件是系統(tǒng)必須處于非平衡狀態(tài)（即，半導體內(nèi)需要有某種激發(fā)過程存在，通過非平衡載流子的復合，才能形成發(fā)光）8/1/202338半導體器件物理§6.4光電子器件LED產(chǎn)生光子發(fā)射的主要條件是系輻射復合：帶帶復合、淺施主-價帶或?qū)?淺受主間復合（施、受主的電離能都很小，躍遷與帶-帶躍遷很難區(qū)別，但由于引入雜質(zhì)能級位于K為（000）外，則使動量守恒定律較易滿足，提高了直接躍遷幾率）、施、受主之間的復合、通過深能級的復合、等電子陷阱等非輻射復合：多聲子復合、俄歇復合、表面復合8/1/202339半導體器件物理輻射復合：帶帶復合、淺施主-價帶或?qū)?淺受主間復合（施、受GaAs(direct)直接帶隙半導體，都是常用的發(fā)光材料對于象GaAs這一類直接帶隙半導體，直接復合起主要作用，因此內(nèi)部量子效率比較高。但從晶體內(nèi)實際能逸出的光子卻非常少。Si(indirect)8/1/202340半導體器件物理GaAs(direct)直接帶隙半導體，都是常用的發(fā)光材料激光器Laser—1976年左右，光纖的傳輸損耗在波長大于1m時波長越大損耗越小，但在長波長帶沒有半導體激光器。GaInAsP系列的激光器可以從長波長工作。發(fā)光二極管的發(fā)光加受激輻射受激輻射三個條件1。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)2。形成光諧振腔3。滿足一定的閾值條件8/1/202341半導體器件物理激光器Laser—1976年左右，光纖的傳輸損耗在波長大于1結型激光器中，垂直于結面的兩個嚴格平行的拋光解理面和另一對與之垂直的平行粗糙面構成了所謂法布里-帕羅腔。兩個拋光解理面就是諧振腔的反射鏡面。8/1/202342半導體器件物理結型激光器中，垂直于結面的兩個嚴格平行的拋光解理面和另一對與結型激光器中，垂直于結面的兩個嚴格平行的拋光解理面和另一對與之垂直的平行粗糙面構成了所謂法布里-帕羅腔。兩個拋光解理面就是諧振腔的反射鏡面。結型激光器結構8/1/202343半導體器件物理結型激光器中，垂直于結面的兩個嚴格平行的拋光解理面和另一對與Singleheterojunctionlaser8/1/202344半導體器件物理Singleheterojunctionlaser7/3太陽能電池

太陽能電池對于空間和地面應用都是很有用的。它能給衛(wèi)星長時間持續(xù)供電。由于太陽能電池能以高轉(zhuǎn)換效率直接將太陽光轉(zhuǎn)變成電力，以相當?shù)土膬r格提供幾乎永久性的動力，而且實際上不造成任何污染，因此它也是地球上新型能源的重要候選者。太陽能電池起支配作用的有效過程是光吸收8/1/202345半導體器件物理太陽能電池太陽能電池對于空間和地面應用都是很有用的。它能給非晶硅（-Si）也可以用來制作太陽能電池，用射頻輝光放電分解硅烷的方法，在金屬或玻璃襯底上淀積幾微米厚的非晶硅薄層，-Si的有效禁帶寬度是1.5eV，它的光吸收特性如圖6.27所示。雖然-Si太陽能電池的效率（10%）比單晶硅太陽能電池的效率低，但是它的造價卻低得多，因此，-Si太陽能電池是大規(guī)模利用太陽能的主要器件之一。8/1/202346半導體器件物理非晶硅（-Si）也可以用來制作太陽能電池，用射頻輝光放電分光電探測器光電探測器是能夠把光信號轉(zhuǎn)變成電信號的半導體器件。光電探測器的工作過程包括下面三個步驟：：1）入射光產(chǎn)生載流子；2）載流子輸運和（或）被某種可能存在的電流增益機構倍增；3）電流和外電路相互作用，提供輸出信號。8/1/202347半導體器件物理光電探測器光電探測器是能夠把光信號轉(zhuǎn)變成電信號的半導體器件。光電探測器有廣泛的應用，其中包括用作光隔離器中的紅外傳感器和光纖通訊探測器。對于這些應用，光電探測器在工作的波長范圍內(nèi)必須具有高靈敏度、高的響應速度及低噪聲。此外光電探測器應該小型堅實，偏置電壓、偏置電流低，在所要求的工作條件下使用可靠。8/1/202348半導體器件物理光電探測器有廣泛的應用，其中包括用作光隔離器中的紅外傳感器和光電二極管光電二極管基本上是一個工作在反向偏置下的p-n結。當光信號射到二極管上時，耗盡區(qū)把光產(chǎn)生的電子-空穴對分離開，在外電路中產(chǎn)生電流。在高頻工作時，耗盡區(qū)必須很薄以減小渡越時間；但另一方面，為了增加量子效率，耗盡層又必須足夠厚，以便能吸收大部分入射光，因此，應該兼顧響應速度和量子效率。8/1/202349半導體器件物理光電二極管光電二極管基本上是一個工作在反向偏置下的p-n結。量子效率量子效率是每個入射光子產(chǎn)生的電子-空穴對的數(shù)目：

式中Ip是吸收波長為（相應的光子能量為h）、功率為Popt的入射光產(chǎn)生的光電流。決定的關鍵因素之一是吸收系數(shù)（圖6.27）。由于和波長有強烈的依賴關系，因此能產(chǎn)生明顯光電流的波長范圍是有限制的。長波限C由禁帶寬度[式（6-25）]決定，例如對于鍺是1.8m，對于硅為1.1m。當波長大于C時，值太小，不足以產(chǎn)生顯著的帶到帶的吸收。光響應也有短波限，這是因為波長很短時，值很大（105cm-1），大部分輻射在表面附近被吸收，而表面的復合時間又很短，因此光生載流子在被p-n結收集之前就已經(jīng)被復合掉了。

8/1/202350半導體器件物理量子效率7/31/202350半導體器件物理在紫外光和可見光區(qū)，金屬-半導體光電二極管有很高的量子效率；在近紅外區(qū)，硅光電二極管（有抗反射涂層）在0.8m到0.9m附近,量子效率可達100%；在1.0m到1.6m的區(qū)域,鍺光電二極管和III-V族光電二極管(如GaInAs)有很高的量子效率。對于更長的波長，為了獲得高的量子效率，光電二極管需進行冷卻（例如冷卻到77K）。8/1/202351半導體器件物理在紫外光和可見光區(qū)，金屬-半導體光電二極管有很高的量子效率；響應速度

響應速度受下列三個因素限制:(1)載流子的擴散；（2）在耗盡層內(nèi)的漂移時間；（3）耗盡層電容。在耗盡層外邊產(chǎn)生的載流子必須擴散到p-n結，這將引起可觀的時間延遲。為了將擴散效應減到最小，結應盡可能接近表面。當耗盡層足夠?qū)挄r，光被吸收的量將最大。不過，耗盡層又不能太寬，否則渡越時間會限制頻率響應。耗盡層又不能太薄，否則電容C過大，使時間常數(shù)RC變得很大，這里R是負載電阻。耗盡層寬度的最佳折衷方案是使耗盡層渡越時間近似等于調(diào)制周期的一半。例如，調(diào)制頻率為2GHz時