纳米半导体器件的电热特性研究文献综述

文献综述

先进的硅应用技术正在探索开发越来越薄的SiO层，因此模拟和设计与这种薄层相关的量子力学效应变得越来越重要。例如，反转层限制效应在这个体系中强烈地表现出来，并被广泛研究。[1]由于MOSFET的尺寸缩小到100纳米以下，所以在与二氧化硅界面和隧穿（通过栅氧化层，带间到源极和从源极到漏极）垂直的方向上的量子力学性能开始强烈地影响它们的特性。[2] 在一个极端的例子中，MOSFET栅极氧化层的厚度已经达到了9Aring;，[3]尽管这些器件性能非常好（gmv=1.2S / mm）。它们的电气特性，备用功率以及长期可靠性都受到其大栅极隧穿电流的影响。因此提出了一种基于物理的新的方法来模拟超薄氧化物器件中的隧穿现象。[4]

量子传输的密度梯度描述用于分析超薄（25Aring;）氧化物MOS电容器中的隧穿现象。在一维（1-D）分析中包括电子和空穴隧穿分析，并且引入了对密度梯度理论的两种新的改进理论。一个是关于Shockley-Read-Hall重组的处理理论，另一个是关于修改隧道边界条件以解决半导体带隙的理论。对具有n 和p 多晶硅栅极的样品的实验电流 - 电压（I-V）数据进行详细比较，并且发现数据的所有特征在密度梯度框架内是有规律的。除了对这些实验提供新的理解之外，这些结果表明密度梯度方法对于量子体系中的工程导向器件分析具有重要价值。[1]

密度梯度（DG）理论是将半导体中电子和空穴的标准扩散 - 漂移（DD）传输描述一般化的理论，其包含最低阶量子效应。这电子和空穴气体的状态方程不仅取决于气体密度（如在DD理论中）而且取决于它们的密度的梯度。[15]DG理论应用于隧道的一个关键概念是弹性隧道是一种弹道（无耗散）的传输现象[9]，没有散射来“混合”电子（或空穴），势垒中的气体通常会被分成多个不同的群体，每个群体都与它所源自的联系人相关联。[16]

第一种建模隧道的方法是通过障碍，非自洽的单电子量子机制，这种技术仍然被广泛使用，[4]部分原因是做得好是很困难的。其他更复杂的微观方法最近才出现了一些工具，这些工具开始对设备建模有用，然后才在一个维度上使用。[5]目前的工作使用了宏观性质上不同的质的方法，因此更加符合标准的器件模拟方法。[6] 这种方法称为密度梯度（DG）理论，这种方法可以被看作是对经典运输方式的关系微观方法的补充。

一方面，结合密度梯度理论和有效势能方法。Asenov A, Watling J R, Brown A R用离散随机掺杂剂引入的decanano MOSFET的固有波动效应的统计模拟实例证明了其3D实现的有用性。[17]还讨论了密度梯度形式主义处理亚10nm双栅MOSFET中直接源漏隧道的能力，与非平衡格林函数模拟进行了比较。[2]

另一方面，Chen R C, Liu J L等科学家结合密度梯度法作为量子力学修正，并进行了数值研究。这个新模型在物理和数学方面都是全面的。它能够描述热电子传输以及尺寸与德布罗意波长相当的先进器件的显着的量子力学效应。[18]该模型对于所有的状态变量是完全自伴的，因此提供了许多吸引人的数学特征，如全局收敛，快速迭代求解和高度可并行化。[19]已经进行了使用该模型的栅极长度低至34nm的二极管和MOSFET的数值模拟，并将其与使用经典的传输模型进行了比较。结果表明，该短路器件的I-V特性可以通过密度梯度方程显着修正，电流驱动比经典模型减少了60％。此外，二维量子层，这是只有反演层的长度尺度的一小部分，也有效地捕获了这个新的模型，非常细的网格靠近自适应有限元方法产生的界面。[20]

通过理论研究，深刻揭示了关于MOS管半导体器件的特性，其中介绍电子和硅空穴迁移率作为掺杂浓度的函数是非常重要的参数或器件设计和分析。这些迁移率已经在室温下进行了测量[11- [8]，浓度高达4倍，但是很少有数据[6,8]在更高的温度和更高的浓度。根据经典理论，Li和Thurber [9]，[10]已经计算出浓度上升到cm^-3和最高温度的迁移率，并且发现它的计算值与实验值吻合得很好。然而，对于高于10cm^-3的浓度，经典理论不能预测正确的值 - 它给出的值远远低于实验所测得的值。 Varioust理论[8]，[11] - [13]已经被开发来解释理论和实验值之间的异常，但它们太复杂，不适用于分析表达更合适的器件分析和设计工作。在本文中，我们提出了一个迁移率的单一经验关系作为温度和温度的函数，它可以用于温度高达500 K，浓度高达约10cm^-6[20]

通过对理论的探索，也能解释一些实验现象，在一些现象中，例如当高功率脉冲通过直接辐射，间接电容或电感耦合的方式注入集成电路时，可能会导致电路击穿甚至损坏。[22]由于通信系统中的大多数集成电路是使用标准金属氧化物半导体（MOS）技术制造的，因此所有有源器件（如双极场效应和异质结双极型晶体管（BJT，FET和HBT）甚至金属互连会强烈吸收辐射的电磁能量。[24]这在tum加热材料和所有电路。在这种情况下，可以容易地发生集成电路中的电气或损坏效应。因此，应该充分了解有意电磁干扰（例如高功率电磁脉冲（HP-EMP））影响下的有源器件级电气和热损伤特性。[23]

建立了刚性，耦合，非线性偏微分二维模拟的半导体工作方程，讨论了这些方程的参数。混合时域有限元方法（FEM）被用于我们的数学处理。然后介绍典型的GaAsFET，GaNHFET和LDMOSFET的物理结构和特性，并给出其物理模型。将研究温度和输入功率之间的关系。[21]