半导体器件电子学Ch

1、北京工业大学电控学院2006年9月半导体器件电子学课程大纲第一章 现代半导体材料晶体结构和特性（10学时）1.1半导体的基本特性与常见半导体材料1.2 新型宽带半导体材料的特性1.3 Si材料的SOI结构特性 1.4半导体材料的压电特性第二章 载流子输运特性及非平衡态（14学时）2.1 体材料半导体载流子的性质及电流密度2.2 小尺寸下半导体材料中迁移率退化和速度饱和2.3 器件的小尺寸带来的热问题2.4 小尺寸下的量子效应2.5 小尺寸器件中的量子力学机理2.6 二维电子气的输运2.7 调制掺杂结构和场效应晶体管2.8 强磁场中的二维电子气2.9 掺杂对输运特性的影响第三章 半导体结特性的电

2、子学分析（6学时）3.1 PN结的模型3.2求解空间电荷区的近似解析模型 1.1半导体的基本特性与常见半导体材料一、半导体的基本特性电阻率：介于10-3-106.cm， 金属：106.cm 绝缘体:1012.cm纯净半导体负温度系数掺杂半导体在一定温度区域出现正温度系数不同掺杂类型的半导体做成pn结,或金-半接触后，电流与电压呈非线性关系，可以有整流效应具有光敏性，用适当波长的光照射后，材料的电阻率会变化，即产生所谓光电导半导体中存在着电子与空穴两种载流子第一章 现代半导体材料晶体结构和特性二、常见的半导体材料构成半导体材料的主要元素及其在元素周期表中的位置元素半导体Si：是常用的元素半导体材

3、料，是目前最为成熟的材料，广泛用于VLSI。Ge：早期使用的半导体材料。化合物半导体-族化合物（AIIIBV） -：Al，Ga，In P，As，N，Sb（碲） GaAs、InP、GaP、InAs、GaN等。- 族化合物（AIIBVI） ：Zn，Cd，Hg S，Se，Te ZnO、ZnS、TeCdHg等- 化合物（AIVBiV） SiGe、SiC。 混合晶体构成的半导体材料两种族化合物按一比例组成，如 xAC+(1-x)BC， xAC+(1-x)BC，SixGe1-x， 能带工程：由于可能通过选取不同比例的x，而改变混晶的物理参数(禁带宽度， 折射率等)，这样人们可以根据光学或电学的需要来调节配

4、比x。通过调节不同元素的组分，才能实现禁带宽度的变化。在光电子、微电子方面有很重要的作用。三、常见半导体的结构类型 金刚石结构：Si、Ge 闪锌矿结构：GaAs、InP、InAs、InSb、AlP、 AlSb、CdTe 纤锌矿结构：GaN、AlN、SiC金刚石结构：闪锌矿结构纤锌矿结构1.2 新型宽带半导体材料的特性 1。GaN半导体材料的特性由三族元素Ga和五族元素N，III-V族化合物半导体。晶体结构分为:闪锌矿结构(Zinc Blende crystal structure)立方晶纤锌矿结构(Wurtzite crystal structure )六角GaN在1932年人工合成。（参考书

5、：Nitride Semiconductors and Device Hadis Morkoc）III族的氮化物有三种晶体结构：闪锌矿结构、纤锌矿结构、盐石岩结构（NaCl）对于AlN、GaN和InN，室温下：热力学动力学稳定的结构是纤锌矿结构。GaN、InN通过薄膜外延生长在立方晶的（110）晶面上，如Si，MgO，GaAs，才能生长出闪锌矿结构。纤锌矿结构六角的，有两个晶格常数c和a，是复式格子。沿c轴方向移动5/8c形成。闪锌矿结构(Zinc Blende crystal structure)立方晶单胞中含有4个基元（4个III族原子和4个V族原子）复式格子。GaN材料的外延生长：其结构

6、取决于使用的衬底类型 六角晶体衬底长出纤锌矿结构 立方晶体衬底长出闪锌矿结构目前常用的衬底：sapphire Al2O3，蓝宝石缺点：晶体结构不好，与氮化物的热匹配不好优点: 来源广，六角结构，容易处理，高温稳定。由于热匹配不好，缓冲层要厚。SiC作为衬底，热匹配和晶格匹配比较好。缺点：SiC常规工艺很难处理，SiC的结构变数太大。GaN体材料是最理想的。但目前还不能生长出大尺寸的材料。掺杂：n-GaN: Si，Ge，Sn（Selenium） p-GaN：Mg，（1989）Zn，Be，Hg，CBasic Parameters : Zinc Blende crystal structureEne

7、rgy gaps, Eg 3.28 eV 0 KEnergy gaps, Eg 3.2 eV 300 KElectron affinity 4.1 eV 300K Conduction band Energy separation between valley and X valleys E 1.4eV 300KEnergy separation between valley and L valleys EL 1.61.9eV 300KEffective conduction band density of states ：1.2 x 1018 cm-3 300KValence bandEne

8、rgy of spin-orbital splitting Eso 0.02eV 300KEffective valence band density of states 4.1 x 1019 cm-3 300K立方晶第一布里渊区截角八面体 Wurtzite crystal structure Energy gaps, Eg 3.47 eV 0 K 3.39 eV 300 KEnergy gaps, Eg, dir 3.503 (2) eV 1.6 K; photoluminescence, from excitonic gap adding the exciton binding energ

9、y 3.4751(5) eV 1.6 K; A-exciton (transition from 9v)3.4815(10) eV 1.6 K; B-exciton (transition from upper7v) 3.493 (5) eV 1.6 K; C-exciton (transition from lower 7v) 3.44 eV 300K; temperature dependence below 295 K given by: Eg(T) - Eg(0) = - 5.08 x 10-4 T2/(996 - T), (T in K) .Electron affinity 4.1

10、 eV 300 KConduction band Energy separation between valley and M-L valleys 1.1 1.9 eV 300 KEnergy separation between M-L-valleys degeneracy 6 eV 300 KEnergy separation between valley and A valleys 1.3 2.1 eV 300 KEnergy separation betweenA-valley degeneracy 1 eV300 Kalso The energy separations betwee

11、n the 9 state and the two 7 states can be calculated from the energy separations of the A-, B-, C-excitons.Effective conduction band density of states 2.3 x 1018 cm-3 300 KValence band Energy of spin-orbital splitting Eso 0.008 eV 300 KEnergy of spin-orbital splitting Eso 11(+5,-2) meV 300 K; Energy

12、 of crystal-field splitting Ecr 0.04 eV300 KEnergy of crystal-field splitting Ecr 22(2) meV 300 K; calculated from the values of energy gap Eg,dir (given above)Effective valence band density of states 4.6 x 1019 cm-3 300 K2。GaN材料的主要器件特性GaN器件的未来：Electronics：GaN带隙宽，使之最适合高温应用的半导体材料。高迁移率有利于高频应用。多数为二维器件应

13、用。Bipolar Transistors：HBT（Heterojunction Bipolar Transistor)由于电流横向流动，功率消耗很小。一种结构：GaN发射极，SiC基极。导带带隙差几乎为零，但价带有很大带隙差。提高发射区发射效率。散热性能好。Photo-Transistors：光电晶体管。基区通过UV光照射后，产生光注入空穴。实现对集电极电流的控制。Thyristors：晶闸管形成pnpn结构，实现电流的开关控制。Memory Device：存储器器件是基于电荷存储。半导体材料中带电载流子寿命依赖于电荷逃脱陷阱的激活能。而带隙越宽，通过复合损失的电荷逃脱的可能性就越小。GaN

14、的存储器具有最高的读出效率。GaN器件的未来：Optoelectronics : LED1994年，Nakamura报道了商业化GaN基超亮度LED。在固态照明SSL方面有着巨大的潜力。Optoelectronics : LD通过GaAlN组成异质结，制备出边发光LDs。（Edge-emitting）.只有Nichia制备出CW 20C下， 工作10000小时。UV DetectorsGaAlN/GaN异质结探测器其波段覆盖太阳盲区，是理想的紫外探测器材料。太阳光谱盲区是指波长在220280纳米的紫外波段，这一术语来自下列事实:太阳辐射(紫外辐射的主要来源)的这一波段的光波几乎被地球的臭氧层所

15、吸收，所以太阳光谱盲区的紫外辐射变得很微弱。这样，由于空域内太阳光等紫外辐射的能量极其有限，如果出现导弹羽烟的太阳光谱盲区紫外辐射，那么就能在微弱的背景下探测出导弹。X-Ray Detectors制备X-ray探测器。Conducting Windows for Solar CellsOpticsPiezoelectronicsSurface Acoustic Wave GenerationAcousto-Optic ModulatorPyroelectricity：热电现象。Negative Electron Affinity2。SiC半导体材料的特性由四族Si原子和C原子组成的化合物半导体

16、 SiC晶体结构:具有同质多型的特点几种典型的晶体结构SiC和Si材料性质：六方结构SiC的解理面是（1100）（1120）(0001)SiC的技术特性：高硬度材料；莫氏硬度9.2-9.3， 金刚石10耐磨材料：金刚石10，SiC 9.15热稳定性：常压下不可能熔化，高温下，SiC升华分解为C和硅蒸汽，残留下来的石墨以原晶体的赝形存在。化学性质：SiC表面生产SiO2层能防止SiC的进一步氧化。在高于1700温度下SiO2熔化并迅速发生氧化反应。SiC能溶解于熔融的氧化剂物质，如熔融的Na2O2，或Na2CO3-KNO3混合物。在300下可溶于NaOH+KOH。SiC材料的优势：宽带隙、高临界

17、击穿电场、高热导率、高载流子饱和速度应用：高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜力。特别是在高温、大功率应用方面，明显优于Si 和GaAs：SiC的热导率高于GaAs 8-10倍；4H-SiC和6H-SiC带隙是GaAs的2倍、Si的3倍；击穿电场高于Si的1个量级。SiC基器件：1、功率MOSFET器件2、功率整流器3、SiC光电器件紫外光电二极管4、传感器宽区间高温温度传感器压力传感器热线风速计SiC器件的工艺特点：1、在原料成分的利用度和生态特性方面。具有原料来源的无限性；典型的原料纯化和加工处理过程；对生物圈造成的能量负荷和生态学负荷低。2、高温和化学活性介质的稳定性

18、：在高于2000 和低于标准压力下，有效的分解（升华）；正常压力下部熔解400 的碱溶液中和在1000 的含氯气体中，能有效的化学腐蚀。3、合金的可及性施主杂质N，受主杂质Al和B；施主和受主杂质浓度掺杂浓度范围宽，1015-1021 /cm34、可以以自身的碳形成本征掩膜，也存在本征氧化物SiO2。5、SiC多型在生长、掺杂、氧化过程的结构、取向的选择性：Fundamental Properties of ZnOII-VI compound semiconductor.Direct bandgap, with Eg 3.32 eV.Bandgap engineering: alloy wit

19、h Cd or Mg to tailor bandgap from 2.8eV to 4.0eV.Multi-functional:Hexagonal wurtzite class crystal = piezoelectricty with large coupling coefficient.Large and fast photoconductivity = optical sensing.Al or Ga doping = transparent conductive oxide.Li & Mg doping = ferroelectric.Alloyed with Mn = magn

20、etic oxide semiconductor.Combine electrical, optical and piezoelectrical propertiesMolecular mass 81.389- Specific gravity at room temp. 5.642 g/cm3- Point group 6mm (Wurtzite)- Lattice constants at room temp. a=3.250, c=5.205- Mohs hardness 4- Melting point 2250 K- RT linear thermal expansion coeff

21、icient - a-axis direction 4.75- c-axis direction 2.92- Electron mass 0.28- Hole mass 1.8- Bandgap energy at room temp. 3.37 eV- Exciton binding energy 60 meV- Specific heat 0.125 cal/gm- Thermal conductivity 0.006 cal/cm/K- Thermoelectric Constant at 573 K 1200 mV/K3。ZnO半导体材料的特性Key Advantages of ZnO

22、- High Piezoelectric Effect (e33 = 1.2 C/m2, 半导体中最高)- High Thermal Conductivity of 0.54 Wcm-1K-1 ( 0.5 for GaAs)- Largest Exciton Binding Energy of II-VI & III-V Semiconductors, 60 meV = excitonic stimulated light emission up to 550 K- Even more radiation resistant than GaN (up to 2 MeV, 1.2 x 1017

23、electrons/cm-2)- Drift Mobility Saturates at Higher Fields & Higher Values than GaN = attractive for high frequency devices- Very Low Dark Current UV Detectors with maximum spectral response at 350nm- Strong Two-Photon Absorption with High Damage Thresholds, = attractive for optical power limiting d

24、evices- Very Large Shear Modulus 45.5 Gpa (indicates stability of the crystal) = compared with 18.35 for ZnSe, 32.60 for GaAs, 51.37 for Si.1、SOI（Silicon On Insolator）背景介绍随着集成电路集成度的不断提高，器件特征尺寸减小，器件内部PN结之间以及器件与器件之间通过衬底的相互作用愈来愈严重，出现了一系列材料、器件物理、设计和工艺等方面的新问题。使得深亚微米硅集成电路的集成度、可靠性受到影响。这些问题主要包括：（1）体硅CMOS电路的

25、寄生可控硅闩锁效应以及体硅器件在宇宙射线辐照环境中出现的软失效效应等使电路的可靠性降低；（2）随着器件尺寸的缩小，体硅CMOS器件的各种多维及非线性效应如短沟道效应、窄沟道效应、漏感应势垒降低效应、热载流子效应、亚阈值电导效应、速度饱和效应、速度过冲效应等变得十分显著，影响了器件性能的改善。1.3 Si材料的SOI结构特性（3）器件之间隔离区所占的芯片面积随器件尺寸的减小相对增大，使得寄生电容增加，互连线延长，影响了集成度及速度的提高。为了克服这些问题，除了采用先进深槽隔离、电子束刻蚀、硅化物等工艺技术外，开发新型材料及探索新型高性能器件和电路结构，成为超高速集成电路所面临的问题。绝缘衬底硅（

26、Silicon On Insolator SOI）技术以其独特的材料结构有效地克服了体硅材料的不足，充分发挥了硅集成技术的潜力，逐渐成为研究和开发高速度、低功耗、高集成度及高可靠性ULSI和VLSI的主要技术之一。2、SOI（Silicon On Insolator）材料介绍SOI的形成工艺主要有三种:1、SIMOX（Seperating by IMplant OXygen ）2、键合 Bonding3、Semi-Bonding4、Smart Cut 智能剥离技术SIMOX, Bonding和Simbond三种方法比较SIMOXBondingSimbondWafersOne wafer Two

27、 wafers Two wafers Wafer size4, 5, 6 & 8 4, 5, 6 & 8 4, 5, 6 & 8 ProcessTwo basic steps Three basic steps Four basic steps SOI thicknessThin/ultra-thin Thick (1.5um) Thin/ultra thin/thickBOX thicknessThin (=1 式中Rw ,Rs 分别为晶体管eb结上并联的寄生电阻,en,ep时相应发射极串联电阻。 2 。电源电压必须大于维持电压Uh，他所提供的电流必须大于维持电流Ih. 2 触发电流在寄生电

28、阻上的压降大于相应晶体管eb结上正向压降。 触发信号可以是外界噪声或电源电压波动；触发段可以是电路的任一端。下面以输出端的噪声触发为例来分析其触发的物理过程，其他端的情况类似。 电路输出端闩锁触发的等效电路如图1所示，当输出端上存在正的外部噪声时，在寄生PNP管Tr1的eb结成正向偏置，基极电流通过Rs流入UDD中，Tr1导通，其集电机电流通过P阱内部Rw进入Uss,Rw上产生压降，当Tr2管的UBE达到正向导通电压时，Tr2导通，Tr2的集电极电流流向Tr1基极时期电位降低，Tr1进一步导通结果Udd与Uss之间形成低阻电流通路，这就发生了闩锁。 温度升高，晶体管eb结正向导通电压下降，电流增益和寄生电阻岁温度升高而增大，导致维持电流Ih岁温度升高而下降，另外PN结反向漏电随温度上升而增大，而P阱衬底结的反向漏电正是寄生SCR结构的触发电流，所以高温下闩锁更易发生。 亚阈值斜率S：也称为亚阈值摆幅。定义是：亚阈值区漏端电流增加一个量级所需要增大的栅电压。反映了器件从截止态到导通态电流转换的陡直度。数学定义：采用半对数坐标的器件转移特性曲线（lgID-VG）关系中亚阈值区线段斜率的倒数，可表示为：S=dVG/d(lgID).随着器件特征尺寸的缩小，器件需要在低压工作，由此带来的低阈值电压要求使得器件亚阈值特性研究越