Semiconductor Devices

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第六章： 新型半导体器件 §6.1 现代MOS器件 §6.2 纳米器件 §6.3 存储器件 §6.4 功率器件 §6.5 微波器件 §6.6 光电子器件 §6.7 量子器件 Semiconductor Devices 2019/4/4

2 Technology Generation
Transistor Research Technology Generation 90 nm 65 nm 45 nm 32 nm 50 nm Manufacturing Development Research 35 nm 30 nm 20 nm 10 nm 5 nm Nanowire SiGe S/D Strained Silicon SiGe S/D Strained Silicon Si Substrate Metal Gate High-k Tri-Gate S G D III-V Research Options: High-K & Metal Gate Non-planar Trigate III-V, CNT, NW Carbon Nanotube FET Source: Intel Future options subject to research & change Semiconductor Devices 2019/4/4

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§6.1 现代MOS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。 Semiconductor Devices 2019/4/4

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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 Semiconductor Devices 2019/4/4

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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0.1μm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。 Semiconductor Devices 2019/4/4

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二、现代MOS器件的一些物理效应 短沟道效应 （SCE） 微小尺寸效应，狭义的定义，是指随沟道缩短，阈值电压减小（n沟）或增大（p沟）的效应（VT roll off）。 VT roll off现象包括VDS很低时测定VT随Lg变化和VDS很高时VT随Lg的变化。 Semiconductor Devices 2019/4/4

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DIBL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，当VDS高到一定程度，漏的结电场就会影响源pn结的势垒，使之降低，这便是DIBL效应。一个明显结果是使VT降低，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VDS下，Lg越小DIBL导致的越大，因此DIBL也产生VT roll off，而且VDS越高，VT roll off效应越显著。同时DIBL效应会影响MOSFET的亚阈区特性，包括使S和Ioff退化。因此在深亚微米与亚0.1微米的设计中要避免或抑制DIBL效应。 Semiconductor Devices 2019/4/4

13 热载流子注入（Injection of Hot Carrier）
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 热载流子注入引起MOSFET器件性能退化的效应 Semiconductor Devices 2019/4/4

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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（>3×106V/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。 Semiconductor Devices 2019/4/4

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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0.1μm 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。 Semiconductor Devices 2019/4/4

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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 Drift－Diffusion 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。 Semiconductor Devices 2019/4/4

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二维量子化 深亚微米器件的沟道掺杂浓度高达3×1017cm－3以上，栅氧化层低达1.5~5nm，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0.1μm MOS ULSI器件必须考虑量子力学（QM）效应。 Semiconductor Devices 2019/4/4

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沟道杂质起伏 对于沟长度在0.1μm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。 Semiconductor Devices 2019/4/4

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§6.2 纳米器件 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 Semiconductor Devices 2019/4/4

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SOI MOS器件 Semiconductor Devices 2019/4/4

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Cross-sectional view of a self-aligned poly-silicon gate transistor with LOCOS isolation Semiconductor Devices 2019/4/4

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围栅MOS器件 Semiconductor Devices 2019/4/4

25 Building Blocks for Nanoelectronics
Quantum Dots Carbon Nanotubes Nanowires Advantages for one-dimensional nanostructures: Atomic precision available via chemical synthesis; Easy to wire up (compared to quantum dots); Rich and versatile properties. Semiconductor Devices 2019/4/4

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Carbon Nanotubes CNT 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: Carrier mobility ~ 100,000 cm2/Vs Young’s modulus over 1 Tera Pascal, as stiff as diamond; 3. Tensile strength ~ 200 GPa. CNT can be metallic or semiconducting, depending on chirality. Semiconductor Devices 2019/4/4

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CNT FETs Gate 8nm HfO2 SiO2 p++ Si Pd CNT Delft : Tans, et al., Nature, 393, 49, 1998 Javey, et al., Nano Letters, 4, 1319, 2004 Drain Source Gate Sapphire Substrate Oxide Appenzeller, et al., PRL, 93, 19, 2005 Liu, et al., Nano Letters, 6, 34, 2006 Semiconductor Devices 2019/4/4

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Traditional approach: On-Site Synthesis of Single-Walled Carbon Nanotubes Si SiO2 PMMA Catalyst CH4 nanotube Catalyst island 900 ºC metal electrode Semiconductor Devices H. Dai, et al, Nature 395, 878 (1998). 2019/4/4

29 Infrastructure: Nanotube CVD Generation I
Nanotube transistor can be easily produced. Si back gate SiO2 S D High-quality nanotubes can be grown at specific positions Vg: -4 V 0 V 2 V 6 V 1 mm 2.6 nm in diameter 1.0 nm in diameter Semiconductor Devices 2019/4/4

30 Toward Integrated Nanotube Systems N-type Field Effect Transistor
Vg: 6 V 4 V 2 V 0 V Si back gate SiO2 K n type S D Potassium source Potassium doping: 1. Heat up a potassium source; 2. Electron transfer from K to the nanotube reverts the doping from p type to n type. Semiconductor Devices 2019/4/4

31 Integrated Nanotube Systems: Complementary Carbon Nanotube Inverter
One of the first integrated systems made of carbon nanotubes. Si back gate K Vin Vout VDD GND p-type CNT n-type CNT P type MOSFET: N type MOSFET: Vin Vout 0 V VDD p n Semiconductor Devices "Carbon Nanotube Field-Effect Inverters", X. Liu, R. Lee, J. Han, C. Zhou, Appl. Phys. Lett. 79, 3329 (2001). 2019/4/4

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§6.3 存储器件 主要类型 静态存储器SRAM 动态存储器DRAM 非易失性存储器NVM 结构 特点 Semiconductor Devices 2019/4/4

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§6.4 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 Semiconductor Devices 2019/4/4

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§6.5 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。 Semiconductor Devices 2019/4/4

35 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 GaAs pn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 GaAs GaSb 隧道穿透，负微分电阻 本机振荡器 锁频电路 IMPATT二极管 雪崩和渡越时间效应产生大功率 微波振荡 BARITT二极管 势垒注入和渡越时间效应 本机振荡 多普勒检波器 Semiconductor Devices 2019/4/4

36 金属半导体接触的整流效应及非线性电阻特性 混频检波
TED GaAs InP 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 Si 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 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 微波异质结双极晶体管 AlxGa1-xAs/ InP/InGaAsP Si/SiGe 同上 微波GaAs MESFET 由电压控制的对输入信号的放大作用，多数载流子输运 高电子迁移率晶体管（HEMT） 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 Semiconductor Devices 2019/4/4

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§6.6 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。 Semiconductor Devices 2019/4/4

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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） Semiconductor Devices 2019/4/4 38

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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 Semiconductor Devices 2019/4/4

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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。 Si(indirect)间接带隙半导体 Semiconductor Devices 2019/4/4

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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 Semiconductor Devices 2019/4/4

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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 Semiconductor Devices 2019/4/4

43 Single heterojunction laser
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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 Semiconductor Devices 2019/4/4

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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。 Semiconductor Devices 2019/4/4

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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。 Semiconductor Devices 2019/4/4

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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。 Semiconductor Devices 2019/4/4

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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。 Semiconductor Devices 2019/4/4

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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1.8m，对于硅为1.1m。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。 Semiconductor Devices 2019/4/4

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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0.8m到0.9m附近, 量子效率可达100%；在1.0m到1.6m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）。 Semiconductor Devices 2019/4/4

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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25m（饱和速度为107cm/s）。 Semiconductor Devices 2019/4/4

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§6.7 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 Semiconductor Devices 2019/4/4

53 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） Semiconductor Devices 2019/4/4

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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。 Semiconductor Devices 2019/4/4

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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。 Semiconductor Devices 2019/4/4

56 Quantum computer device
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57 Semiconductor Devices
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