半导体器件原理课件

中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-251Semiconductor Devices第六章：新型半导体器件6.1 现代现代MOS器件器件6.2 CCD器件器件 6.3 存储器件存储器件6.4 纳米器件纳米器件6.5 功率器件功率器件6.6 微波器件微波器件6.7 光电子器件光电子器件6.8 量子器件量子器件 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-252Semiconductor DevicesSi SubstrateMetal GateHigh-kTri-GateSGDIII-VSCarbon Nanotube FET50 nm35 nm30 nmSiGe S/DStrained SiliconFuture options subject to research&changeSiGe S/DStrained Silicon90 nm65 nm45 nm32 nm20032005200720092011+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2022-9-253Semiconductor Devices 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-254Semiconductor Devices6.1 现代现代MOS器件器件 ULSI发展的两个主要方向：深亚微米与亚0.1微米集成和系统的芯片集成。因此需要对深亚微米和亚0.1微米工艺、器件和电路技术，器件的结构和相应的物理机理的研究。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要修正，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2022-9-255Semiconductor Devices一、MOSFET的按比例缩小 近20年来，恒压按比例缩小规则的使用比较成功，但随着工艺的发展，器件性能和集成密度进一步提高，目前逐渐逼近其基本的物理极限。如果要进一步提高集成电路的性能，则需要考虑更多的因素，而不仅仅是简单的按比例缩小器件尺寸。需要同时在降低电源电压、提高器件性能和提高器件可靠性等三个方面之间进行折衷选择。金属栅和高K栅介质的应用 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-256Semiconductor Devices 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-257Semiconductor Devices 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-258Semiconductor Devices 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-259Semiconductor Devices 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2510Semiconductor Devices 实验结果表明，在进行折衷的过程中，源、漏结的参数，尤其是结深、RSD和结的突变性是至关重要的因素。尽管这种经验方法不是很理想，而且难以符合基于基本物理规律的按比例缩小规则，但是这种经验方法更准确、更实用一些。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；同时由于基本物理极限的限制，对亚0.1m器件的进一步缩小变得非常困难，这主要包括超薄栅氧化层的制作；源、漏超浅结的形成以及小尺寸器件必须在很低的电源电压下工作所带来的问题等。截至目前为止，器件和ULSI CMOS工艺发展的实际情况是器件的各个部分都在缩小。中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2511Semiconductor Devices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，是指随沟道微小尺寸效应，狭义的定义，是指随沟道缩短，阈值电压减小（缩短，阈值电压减小（n沟）或增大（沟）或增大（p沟）沟）的效应（的效应（VT roll off）。）。VT roll off现象包括现象包括VDS很低时测定很低时测定VT随随Lg变化和变化和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2022-9-2512Semiconductor Devices 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，是器件二维效应与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，结电场强电场效应结合的结果。当漏结加较大的电压时，结电场向源区发展，因为沟道很窄，使漏结电场与源结相耦合，向源区发展，因为沟道很窄，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。一个明显结果是使VT降低，降低，因为源势垒下降，就可用较低栅压使器件开启。因为源势垒下降，就可用较低栅压使器件开启。因为在一定的因为在一定的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效应越效应越显著。同时显著。同时DIBL效应会影响效应会影响MOSFET的亚阈区特性，包的亚阈区特性，包括使括使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微米的设计中微米的设计中要避免或抑制要避免或抑制DIBL效应。效应。中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2513Semiconductor Devices热载流子注入（Injection of Hot Carrier）热载流子退化热载流子退化 在短沟道下，如果电压较大，横向（沟道方向）和纵向（垂直沟道方向）的电场强度会大大增强。在强电场作用下，载流子能量大大提高，使其平均能量远大于kT，或等效载流子温度Te超过环境（晶格）温度T，这时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MOSFET器件性能退化的效应 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2514Semiconductor Devices 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2515Semiconductor Devices 栅感应漏极漏电（栅感应漏极漏电（GIDL）当增强型器件处于关态（VGS=0）时，在漏与栅交叠处的栅氧化层中存在很强的电场（3106V/cm），对于N型MOSFET，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）靠近界面区的能带发生强烈的向上弯曲，乃至表面反型为p型。因为杂质浓度大，该反型层下的耗尽区极窄，使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复合。因此，电子由漏极流入，空穴由衬底流入，形成了漏结的漏电流，这就是GIDL。GIDL效应和漏区上的栅SiO2层质量密切相关，因此它随工艺条件而改变。GIDL是关态电流Ioff的主要组成，必须被限制在额定Ioff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SiO2层，厚度到1.5nm仍将是安全的。中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2516Semiconductor Devices 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0.1m ULSI MOSFET的电流驱动能力，以至对决定其工作速度有决定性意义，因此在器件结构设计中如何保持尽可能高的迁移率是一个关键课题。同时因为漂移速度会饱和，因此光靠高电场来提高电流驱动能力是有限的。中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2517Semiconductor Devices 漂移速度过冲漂移速度过冲 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理。在能量平衡之前的弛豫时间内漂移速度超过饱和值，即速度过冲。漂移速度过冲现象在GaAs等高迁移率半导体中为实验所普遍证实。通常的MOSFET模型建立在漂移扩散模型（DD模型 DriftDiffusion Model）的基础上，基本方程是泊松方程、电流连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、连续性方程和瞬态玻尔兹曼方程，进行数值分析，但计算量很大，并不可取。因此引入水力学模型，使用能量输运方程、载流子输运方程和电流连续方程加以联解，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2022-9-2518Semiconductor Devices 二维量子化二维量子化 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，即可使表面反型层的电场强度很强，表面能带强烈弯曲，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器件必须考虑量子力学（QM）效应。中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2519Semiconductor Devices 沟道杂质起伏沟道杂质起伏 对于沟长度在0.1m量级的MOSFET，沟道中的电离杂质可以小到只有几十个原子，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避免，因此会造成产品的一致性问题，对于ULSI的可生产性必须考虑这种效应。杂质起伏主要反映在器件阈值电压的起伏上。中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2520Semiconductor Devices6.2 CCD器件器件 CCD电荷耦合器件工作原理 利用栅极下半导体表面形成深耗尽状态进行工作的 基本结构 二相、三相、四相系统，取决于电性能、制造难度以及单元尺寸的考虑 CMOS成像传感器工作原理 基本结构 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2521Semiconductor Devices6.3 存储器件存储器件 主要类型主要类型静态存储器静态存储器SRAM 动态存储器动态存储器DRAM 非易失性存储器非易失性存储器NVM 结构结构 特点特点 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2522Semiconductor Devices基本问题：1、器件尺寸缩小对工艺技术的挑战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6.4 纳米器件纳米器件 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2523Semiconductor Devices 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2524Semiconductor DevicesSOI MOS器件 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2525Semiconductor DevicesCross-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2022-9-2526Semiconductor Devices围栅MOS器件 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2527Semiconductor DevicesBuilding Blocks for NanoelectronicsCarbon 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2022-9-2528Semiconductor 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 graphene sheet rolled into a tube.CNT exhibits:1.Carrier mobility 100,000 cm2/Vs2.Youngs modulus over 1 Tera Pascal,as stiff as diamond;3.Tensile strength 200 GPa.CNT can be metallic or semiconducting,depending on chirality.Carbon Nanotubes 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2529Semiconductor DevicesCNT 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2022-9-2530Semiconductor DevicesTraditional approach:On-Site Synthesis of Single-Walled Carbon NanotubesSiSiO2PMMACatalystCH4nanotubeCatalyst island900 Cmetal electrodeH.Dai,et al,Nature 395,878(1998).中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2531Semiconductor DevicesInfrastructure:Nanotube CVD Generation I 1 m mm1 m 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)-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0VDS(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2022-9-2532Semiconductor DevicesToward Integrated Nanotube SystemsSi back gateSiO2Kn typeSDPotassium source6005004003002001000IDS(nA)1.00.80.60.40.20.0VDS(V)Vg:6 V 4 V 2 V 0 VPotassium 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 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2533Semiconductor 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 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2022-9-2534Semiconductor Devices6.5 功率器件功率器件 功率整流管 肖特基势垒整流管 结-势垒-控制型肖特基整流管（JBS）沟槽-MOS-势垒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 静态屏蔽二极管 功率MOSFET IGBT SiC器件 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2535Semiconductor Devices6.6 微波器件微波器件 微波频率覆盖范围从1GHz（109Hz）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2022-9-2536Semiconductor Devices主要微波半导体器件概况名称常用材料工作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2022-9-2537Semiconductor DevicesTEDGaAsInP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（HEMT）AlxGa1-xAs/GaAs通过由电压控制的高迁移率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2022-9-2538Semiconductor Devices6.7 光电子器件光电子器件半导体光电子器件作为一门新兴学科，主要包括：半导体发光器件、半导体激光器、太阳能电池、半导体光电探测器等。基本物理理论包括，电子,空穴,光子之间的相互作用,费米黄金法则,量子力学基础,半导体能带结构,麦克斯韦方程组和光学波导,半导体中的光学过程,速率方程,以及基本光电子器件的特性等。中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2539Semiconductor Devices发光器件LED LED产生光子发射的主要条件是系统必须处于非平衡状态（即，半导体内需要有某种激发过程存在，通过非平衡载流子的复合，才能形成发光）中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2540Semiconductor Devices 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，则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、通过深能级的复合、等电子陷阱等 非辐射复合：多声子复合、俄歇复合、表面复合 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2541Semiconductor Devices(a)GaAs(direct)直接带隙半导体，都是常用的发光材料 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。但从晶体内实际能逸出的光子却非常少。(b)Si(indirect)间接带隙半导体 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2542Semiconductor Devices激光器Laser 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、形成光谐振腔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2022-9-2543Semiconductor Devices 结型激光器中，垂直于结面的两个严格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。结型激光器结构 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2544Semiconductor DevicesSingle heterojunction laser 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2545Semiconductor Devices太阳能电池 太阳能电池对于空间和地面应用都是很有用的。它能给卫星长时间持续供电。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，以相当低廉的价格提供几乎永久性的动力，而且实际上不造成任何污染，因此它也是地球上新型能源的重要候选者。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2022-9-2546Semiconductor Devices 非晶硅（-Si）也可以用来制作太阳能电池，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。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2022-9-2547Semiconductor Devices光电探测器 光电探测器是能够把光信号转变成电信号的半导体器件。光电探测器的工作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）被某种可能存在的电流增益机构倍增；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2022-9-2548Semiconductor Devices 光电探测器有广泛的应用，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。对于这些应用，光电探测器在工作的波长范围内必须具有高灵敏度、高的响应速度及低噪声。此外光电探测器应该小型坚实，偏置电压、偏置电流低，在所要求的工作条件下使用可靠。中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2549Semiconductor Devices光电二极管 光电二极管基本上是一个工作在反向偏置下的p-n结。当光信号射到二极管上时，耗尽区把光产生的电子-空穴对分离开，在外电路中产生电流。在高频工作时，耗尽区必须很薄以减小渡越时间；但另一方面，为了增加量子效率，耗尽层又必须足够厚，以便能吸收大部分入射光，因此，应该兼顾响应速度和量子效率。中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2550Semiconductor Devices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。决定的关键因素之一是吸收系数（图6.27）。由于和波长有强烈的依赖关系，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）决定，例如对于锗是1.8mm，对于硅为1.1mm。当波长大于C时，值太小，不足以产生显著的带到带的吸收。光响应也有短波限，这是因为波长很短时，值很大（105cm-1），大部分辐射在表面附近被吸收，而表面的复合时间又很短，因此光生载流子在被p-n结收集之前就已经被复合掉了。hPqIp光 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2551Semiconductor Devices 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0.8mm到0.9mm附近,量子效率可达100%；在1.0mm到1.6mm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，光电二极管需进行冷却（例如冷却到77K）。中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2552Semiconductor Devices响应速度 响应速度受下列三个因素限制:(1)载流子的扩散；（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须扩散到p-n结，这将引起可观的时间延迟。为了将扩散效应减到最小，结应尽可能接近表面。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，否则渡越时间会限制频率响应。耗尽层又不能太薄，否则电容C过大，使时间常数RC变得很大，这里R是负载电阻。耗尽层宽度的最佳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，硅的最佳耗尽层宽度约为25mm（饱和速度为107cm/s）。中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2553Semiconductor Devices6.8 量子器件量子器件单电荷隧穿 SET 基本条件：1。系统必须有导电的岛（单个隧道结除外），仅经隧道势垒与其它金属区连接，隧道势垒的隧穿电阻必须远大于量子电阻25.8K。2。岛必须足够小和温度足够低 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2554Semiconductor Devices库仑阻塞(Coulomb Blockade)极薄绝缘体将两电极隔开形成一个电荷位垒隧道。从不带电状态变为带正负电荷状态时，系统能量增加。在没有外界提供能量时，不可能发生，一电荷从一电极穿过隧道结到另一电极。在纳米体系中，由于能级分立和势垒分割，当有电流流通时，在一定的条件下会产生电流中断现象如果每次隧穿的是单个电子，库仑阻塞的阈值电压是e/2C。（C为电容）中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2555Semiconductor Devices 室温下工作SET预计至少可以有三方面应用：1、对极微弱电流的测量和制成超高灵敏度的静电计；2、存储器存储量1000倍以上以及超高速微功耗等；3、高灵敏红外探测。中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2556Semiconductor Devices量子计算机 计算机的能耗对芯片的影响越来越大，能耗制约计算机的能耗对芯片的影响越来越大，能耗制约着芯片集成度着芯片集成度 但只要把所有的不可逆门操作改造为可逆操作，就可以实现无能耗的计算 可以证明：所有经典不可逆计算机都可以改造成可逆计算机，而不影响计算能力。在量子力学中，可逆操作可以使用一个幺正矩阵来表示。Argonne国家实验室的Paul Benioff最早使用量子力学来描述可逆计算机。在量子可逆计算机中，使用一个二能级的量子体系来表示一位，这个量子体系处在量子态0和1上。中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2557Semiconductor DevicesQuantum computer device 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2558Semiconductor Devices 中国科学技术大学物理系微电子专业2022-9-2559Semiconductor Devices