半導(dǎo)體器件原理課件

1、2022/7/271Semiconductor Devices第六章： 新型半導(dǎo)體器件6.1 現(xiàn)代MOS器件6.2 CCD器件 6.3 存儲器件6.4 納米器件6.5 功率器件6.6 微波器件6.7 光電子器件6.8 量子器件2022/7/272Semiconductor DevicesSi SubstrateMetal GateHigh-kTri-GateSGDIII-VSCarbon Nanotube FET50 nm35 nm30 nmSiGe S/DStrained SiliconFuture options subject to research & changeSiGe S/DSt

2、rained Silicon90 nm65 nm45 nm32 nm20032005200720092011+Technology GenerationSource: Intel20 nm10 nm5 nmNanowireManufacturing Development ResearchTransistor ResearchResearch Options:High-K & Metal GateNon-planar TrigateIII-V, CNT, NW2022/7/273Semiconductor Devices2022/7/274Semiconductor Devices6.1 現(xiàn)代

3、MOS器件ULSI發(fā)展的兩個(gè)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(shù)，器件的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的物理機(jī)理的研究。微小MOSFET中的一些物理效應(yīng)，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(yīng)，同時(shí)還會出現(xiàn)各種強(qiáng)電場效應(yīng)。2022/7/275Semiconductor Devices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(jìn)一步提高，目前逐漸逼近其基本的物理極限。 如果要進(jìn)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

4、。需要同時(shí)在降低電源電壓、提高器件性能和提高器件可靠性等三個(gè)方面之間進(jìn)行折衷選擇。金屬柵和高K柵介質(zhì)的應(yīng)用 2022/7/276Semiconductor Devices2022/7/277Semiconductor Devices2022/7/278Semiconductor Devices2022/7/279Semiconductor Devices2022/7/2710Semiconductor Devices實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在進(jìn)行折衷的過程中，源、漏結(jié)的參數(shù)，尤其是結(jié)深、RSD和結(jié)的突變性是至關(guān)重要的因素。盡管這種經(jīng)驗(yàn)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

5、經(jīng)驗(yàn)方法更準(zhǔn)確、更實(shí)用一些。這是由于當(dāng)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(cuò)綜復(fù)雜地相互作用時(shí)，器件的三維特性越加突出；同時(shí)由于基本物理極限的限制，對亞0.1m器件的進(jìn)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(jié)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ULSI CMOS工藝發(fā)展的實(shí)際情況是器件的各個(gè)部分都在縮小。 2022/7/2711Semiconductor Devices二、現(xiàn)代MOS器件的一些物理效應(yīng) 短溝道效應(yīng) （SCE） 微小尺寸效應(yīng)，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

6、應(yīng)（VT roll off）。 VT roll off現(xiàn)象包括VDS很低時(shí)測定VT隨Lg變化和VDS很高時(shí)VT隨Lg的變化。 2022/7/2712Semiconductor DevicesDIBL效應(yīng)與器件穿通 DIBL即漏電壓感應(yīng)源勢壘下降效應(yīng)，是器件二維效應(yīng)與強(qiáng)電場效應(yīng)結(jié)合的結(jié)果。當(dāng)漏結(jié)加較大的電壓時(shí)，結(jié)電場向源區(qū)發(fā)展，因?yàn)闇系篮苷?，使漏結(jié)電場與源結(jié)相耦合，當(dāng)VDS高到一定程度，漏的結(jié)電場就會影響源pn結(jié)的勢壘，使之降低，這便是DIBL效應(yīng)。一個(gè)明顯結(jié)果是使VT降低，因?yàn)樵磩輭鞠陆?，就可用較低柵壓使器件開啟。 因?yàn)樵谝欢ǖ腣DS下，Lg越小DIBL導(dǎo)致的越大，因此DIBL也產(chǎn)生VT ro

7、ll off，而且VDS越高，VT roll off效應(yīng)越顯著。同時(shí)DIBL效應(yīng)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(shè)計(jì)中要避免或抑制DIBL效應(yīng)。 2022/7/2713Semiconductor Devices熱載流子注入（Injection of Hot Carrier）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(qiáng)度會大大增強(qiáng)。在強(qiáng)電場作用下，載流子能量大大提高，使其平均能量遠(yuǎn)大于kT，或等效載流子溫度Te超過環(huán)境（晶格）溫度T，這時(shí)載流子稱為熱載流子。 熱載流子效應(yīng) 熱載流子注入引起MOSFET

8、器件性能退化的效應(yīng) 2022/7/2714Semiconductor Devices2022/7/2715Semiconductor Devices柵感應(yīng)漏極漏電（GIDL） 當(dāng)增強(qiáng)型器件處于關(guān)態(tài)（VGS=0）時(shí)，在漏與柵交疊處的柵氧化層中存在很強(qiáng)的電場（3106V/cm），對于N型MOSFET，此電場方向由漏指向柵，漏極半導(dǎo)體內(nèi)部電勢遠(yuǎn)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(qiáng)烈的向上彎曲，乃至表面反型為p型。因?yàn)殡s質(zhì)濃度大，該反型層下的耗盡區(qū)極窄，使之導(dǎo)帶電子可以直接隧道穿透到反型層的價(jià)帶區(qū)，與襯底流過來的空穴復(fù)合。因此，電子由漏極流入，空穴由襯底流入，形成了漏結(jié)的漏電流，

9、這就是GIDL。 GIDL效應(yīng)和漏區(qū)上的柵SiO2層質(zhì)量密切相關(guān)，因此它隨工藝條件而改變。GIDL是關(guān)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(gè)根源。實(shí)驗(yàn)證明，對于優(yōu)質(zhì)的柵SiO2層，厚度到1.5nm仍將是安全的。 2022/7/2716Semiconductor Devices遷移率的強(qiáng)電場效應(yīng)和漂移速度飽和 遷移率的電場效應(yīng)對于提高深亞微米和0.1m ULSI MOSFET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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何保持盡可能高的遷移率是一個(gè)關(guān)鍵課題。同時(shí)因?yàn)槠扑俣葧柡?，因此光靠高電場來提高電流?qū)動能力是有限的。

10、 2022/7/2717Semiconductor Devices 漂移速度過沖 速度過沖是非穩(wěn)態(tài)統(tǒng)計(jì)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(shí)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(dǎo)體中為實(shí)驗(yàn)所普遍證實(shí)。通常的MOSFET模型建立在漂移擴(kuò)散模型（DD模型 DriftDiffusion Model）的基礎(chǔ)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(shí)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(jìn)行數(shù)值分析，但計(jì)算量很大，并不可取。因此引入水力學(xué)模型，使用能量輸運(yùn)方程、載流子輸

11、運(yùn)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。 2022/7/2718Semiconductor Devices 二維量子化 深亞微米器件的溝道摻雜濃度高達(dá)31017cm3以上，柵氧化層低達(dá)1.55nm，在1幾伏電壓下，即可使表面反型層的電場強(qiáng)度很強(qiáng)，表面能帶強(qiáng)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(dǎo)致垂直于界面方向載流子運(yùn)動的量子化，使傳導(dǎo)載流子成為只能在平行界面方向運(yùn)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(shí)也會影響載流子遷移率等參數(shù)。所以，對深亞微米、亞0.1m MOS ULSI器件必須考慮量子力學(xué)（QM）效應(yīng)。

12、2022/7/2719Semiconductor Devices溝道雜質(zhì)起伏 對于溝長度在0.1m量級的MOSFET，溝道中的電離雜質(zhì)可以小到只有幾十個(gè)原子，因此雜質(zhì)原子含量的統(tǒng)計(jì)起伏可導(dǎo)致對器件性能的明顯影響，這種起伏無論在一個(gè)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(yīng)。雜質(zhì)起伏主要反映在器件閾值電壓的起伏上。2022/7/2720Semiconductor Devices6.2 CCD器件CCD電荷耦合器件工作原理 利用柵極下半導(dǎo)體表面形成深耗盡狀態(tài)進(jìn)行工作的 基本結(jié)構(gòu) 二相、三相、四相系統(tǒng)，取決于電性能、制造難度以及單元尺

13、寸的考慮CMOS成像傳感器工作原理 基本結(jié)構(gòu)2022/7/2721Semiconductor Devices6.3 存儲器件主要類型靜態(tài)存儲器SRAM 動態(tài)存儲器DRAM 非易失性存儲器NVM結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2022/7/2722Semiconductor Devices基本問題：1、器件尺寸縮小對工藝技術(shù)的挑戰(zhàn)2、柵氧化層減薄的限制3、量子效應(yīng)的影響 4、雜質(zhì)隨機(jī)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6.4 納米器件2022/7/2723Semiconductor Devices2022/7/2724Semiconductor DevicesSOI MOS器件2022/7/272

14、5Semiconductor DevicesCross-sectional view of a self-aligned poly-silicon gate transistor with LOCOS isolation 2022/7/2726Semiconductor Devices圍柵MOS器件2022/7/2727Semiconductor DevicesBuilding Blocks for NanoelectronicsCarbon NanotubesNanowiresQuantum DotsAdvantages for one-dimensional nanostructures:

15、Atomic precision available via chemical synthesis;Easy to wire up (compared to quantum dots);Rich and versatile properties.2022/7/2728Semiconductor DevicesCNT 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 gra

16、phene 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.Carbon Nanotubes2022/7/2729Semiconductor DevicesCNT FETsGate 8nm HfO2SiO2p+ SiPd

17、PdCNTDelft : 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, 20062022/7/2730Semiconductor DevicesTraditional approach: On-Site Synthesis of Si

18、ngle-Walled Carbon NanotubesSiSiO2PMMACatalystCH4nanotubeCatalyst island900 Cmetal electrodeH. Dai, et al, Nature 395, 878 (1998).2022/7/2731Semiconductor DevicesInfrastructure: Nanotube CVD Generation I 1 mm1 mm2.6 nm in diameter 1.0 nm in diameter High-quality nanotubes can be grown at specific po

19、sitionsVg: -4 V 0 V 2 V 6 VNanotube transistor can be easily produced.Si back gateSiO2SD2022/7/2732Semiconductor DevicesToward Integrated Nanotube SystemsSi back gateSiO2Kn typeSDPotassium sourceVg: 6 V 4 V 2 V 0 VPotassium doping:1.Heat up a potassium source;2.Electron transfer from K to the nanotu

20、be reverts the doping from p type to n type.N-type Field Effect Transistor2022/7/2733Semiconductor DevicesIntegrated 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 inte

21、grated systems made of carbon nanotubes.Si back gateKVinVoutVDDGNDp-type CNTn-type CNTP type MOSFET:N type MOSFET:VinVout0 VVDDpn2022/7/2734Semiconductor Devices6.5 功率器件 功率整流管肖特基勢壘整流管結(jié)-勢壘-控制型肖特基整流管（JBS）溝槽-MOS-勢壘控制型肖特基整流管（TMBS）pin整流管pin/肖特基混合型（MPS）整流管靜態(tài)屏蔽二極管功率MOSFETIGBTSiC器件2022/7/2735Semiconductor D

22、evices6.6 微波器件 微波頻率覆蓋范圍從1GHz（109Hz）到1000GHz，相應(yīng)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。2022/7/2736Semiconductor Devices主要微波半導(dǎo)體器件概況名稱常用材料工作原理主要功能變?nèi)荻O管Si GaAspn結(jié)非線性電容效應(yīng)，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(jié)和n+i結(jié)注入載流子的存貯和掃出作用所具有的可變電阻特性實(shí)現(xiàn)信號的控制。微波開關(guān)、移相器、衰減器隧道二極管GaAsGaSb隧道穿透，

23、負(fù)微分電阻本機(jī)振蕩器鎖頻電路IMPATT二極管Si GaAs雪崩和渡越時(shí)間效應(yīng)產(chǎn)生大功率微波振蕩BARITT二極管Si勢壘注入和渡越時(shí)間效應(yīng)本機(jī)振蕩多普勒檢波器2022/7/2737Semiconductor DevicesTEDGaAsInP不同能谷間電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)所導(dǎo)致的負(fù)阻特性微波振蕩放大肖特基二極管SiGaAs金屬半導(dǎo)體接觸的整流效應(yīng)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(yùn)過程低噪聲放大功率放大微波振蕩微波異質(zhì)結(jié)雙極晶體管AlxGa1-xAs/GaAsInP/InGaAsPSi/SiGe同上同上微波GaAs MESFETGaAs由電壓

24、控制的對輸入信號的放大作用，多數(shù)載流子輸運(yùn)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(yùn)動的變化實(shí)現(xiàn)對輸入信號的控制與放大同上2022/7/2738Semiconductor Devices6.7 光電子器件半導(dǎo)體光電子器件作為一門新興學(xué)科，主要包括：半導(dǎo)體發(fā)光器件、半導(dǎo)體激光器、太陽能電池、半導(dǎo)體光電探測器等。基本物理理論包括，電子, 空穴, 光子之間的相互作用, 費(fèi)米黃金法則,量子力學(xué)基礎(chǔ), 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu), 麥克斯韋方程組和光學(xué)波導(dǎo), 半導(dǎo)體中的光學(xué)過程,速率方程,以及基本光電子器件的特性等。2022/7/2739Semicond

25、uctor Devices發(fā)光器件LED 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(dǎo)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(fù)合，才能形成發(fā)光）2022/7/2740Semiconductor Devices輻射復(fù)合：帶帶復(fù)合、淺施主-價(jià)帶或?qū)?淺受主間復(fù)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(fù)合、通過深能級的復(fù)合、等電子陷阱等非輻射復(fù)合：多聲子復(fù)合、俄歇復(fù)合、表面復(fù)合2022/7/2741Semiconductor DevicesGaAs(dire

26、ct) 直接帶隙半導(dǎo)體，都是常用的發(fā)光材料 對于象GaAs這一類直接帶隙半導(dǎo)體，直接復(fù)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(shí)際能逸出的光子卻非常少。Si(indirect)間接帶隙半導(dǎo)體2022/7/2742Semiconductor Devices激光器Laser發(fā)光二極管的發(fā)光加受激輻射受激輻射三個(gè)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2022/7/2743Semiconductor Devices結(jié)型激光器中，垂直于結(jié)面的兩個(gè)嚴(yán)格平行的拋光解理面和另一對與之垂直的平行粗糙面構(gòu)成了所謂法布里-帕羅腔。兩個(gè)拋光解理面就是諧振腔的反射鏡面。結(jié)型激光器結(jié)構(gòu)2022/

27、7/2744Semiconductor DevicesSingle heterojunction laser2022/7/2745Semiconductor Devices太陽能電池 太陽能電池對于空間和地面應(yīng)用都是很有用的。它能給衛(wèi)星長時(shí)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(dāng)?shù)土膬r(jià)格提供幾乎永久性的動力，而且實(shí)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 2022/7/2746Semiconductor Devices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

28、淀積幾微米厚的非晶硅薄層，-Si的有效禁帶寬度是1.5eV。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(jià)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。2022/7/2747Semiconductor Devices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(dǎo)體器件。光電探測器的工作過程包括下面三個(gè)步驟：1）入射光產(chǎn)生載流子；2）載流子輸運(yùn)和（或）被某種可能存在的電流增益機(jī)構(gòu)倍增；3）電流和外電路相互作用，提供輸出信號。2022/7/2748Semiconductor Devices光電探測器有廣泛的應(yīng)用，其中包括用作光隔離器中的紅外傳

29、感器和光纖通訊探測器。對于這些應(yīng)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(yīng)速度及低噪聲。此外光電探測器應(yīng)該小型堅(jiān)實(shí)，偏置電壓、偏置電流低，在所要求的工作條件下使用可靠。2022/7/2749Semiconductor Devices光電二極管光電二極管基本上是一個(gè)工作在反向偏置下的p-n結(jié)。當(dāng)光信號射到二極管上時(shí)，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(shí)，耗盡區(qū)必須很薄以減小渡越時(shí)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(yīng)該兼顧響應(yīng)速度和量子效率。 2022/7/2750Semiconductor Devi

30、ces量子效率量子效率是每個(gè)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(yīng)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(guān)鍵因素之一是吸收系數(shù)（圖6.27）。由于和波長有強(qiáng)烈的依賴關(guān)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(dāng)波長大于C時(shí)，值太小，不足以產(chǎn)生顯著的帶到帶的吸收。光響應(yīng)也有短波限，這是因?yàn)椴ㄩL很短時(shí)，值很大（105cm-1），大部分輻射在表面附近被吸收，而表面的復(fù)合時(shí)間又很短，因此光生載流子在被p-n結(jié)收集之前就已經(jīng)被復(fù)合掉了。 2022/7/2751Semiconductor Devices在紫外光和可見光區(qū)，金屬-半導(dǎo)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(dá)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(jìn)行冷卻（例如冷卻到77K）。 2022/7/2752Semiconductor Devices響應(yīng)速度 響應(yīng)速度受下列三個(gè)因素限制:(1)載流子的擴(kuò)散；（2）在耗盡層內(nèi)的漂移時(shí)間；（3）耗盡層電容。在