1、北京工業大學電控學院2006年9月半導體器件電子學課程大綱第一章 現代半導體材料晶體結構和特性（10學時）1.1半導體的基本特性與常見半導體材料1.2 新型寬帶半導體材料的特性1.3 Si材料的SOI結構特性 1.4半導體材料的壓電特性第二章 載流子輸運特性及非平衡態（14學時）2.1 體材料半導體載流子的性質及電流密度2.2 小尺寸下半導體材料中遷移率退化和速度飽和2.3 器件的小尺寸帶來的熱問題2.4 小尺寸下的量子效應2.5 小尺寸器件中的量子力學機理2.6 二維電子氣的輸運2.7 調制摻雜結構和場效應晶體管2.8 強磁場中的二維電子氣2.9 摻雜對輸運特性的影響第三章 半導體結特性的電

2、子學分析（6學時）3.1 PN結的模型3.2求解空間電荷區的近似解析模型 1.1半導體的基本特性與常見半導體材料一、半導體的基本特性電阻率：介于10-3-106.cm， 金屬：106.cm 絕緣體:1012.cm純凈半導體負溫度系數摻雜半導體在一定溫度區域出現正溫度系數不同摻雜類型的半導體做成pn結,或金-半接觸后，電流與電壓呈非線性關系，可以有整流效應具有光敏性，用適當波長的光照射后，材料的電阻率會變化，即產生所謂光電導半導體中存在著電子與空穴兩種載流子第一章 現代半導體材料晶體結構和特性二、常見的半導體材料構成半導體材料的主要元素及其在元素周期表中的位置元素半導體Si：是常用的元素半導體材

3、料，是目前最為成熟的材料，廣泛用于VLSI。Ge：早期使用的半導體材料。化合物半導體-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。 混合晶體構成的半導體材料兩種族化合物按一比例組成，如 xAC+(1-x)BC， xAC+(1-x)BC，SixGe1-x， 能帶工程：由于可能通過選取不同比例的x，而改變混晶的物理參數(禁帶寬度， 折射率等)，這樣人們可以根據光學或電學的需要來調節配

4、比x。通過調節不同元素的組分，才能實現禁帶寬度的變化。在光電子、微電子方面有很重要的作用。三、常見半導體的結構類型 金剛石結構：Si、Ge 閃鋅礦結構：GaAs、InP、InAs、InSb、AlP、 AlSb、CdTe 纖鋅礦結構：GaN、AlN、SiC金剛石結構：閃鋅礦結構纖鋅礦結構1.2 新型寬帶半導體材料的特性 1。GaN半導體材料的特性由三族元素Ga和五族元素N，III-V族化合物半導體。晶體結構分為:閃鋅礦結構(Zinc Blende crystal structure)立方晶纖鋅礦結構(Wurtzite crystal structure )六角GaN在1932年人工合成。（參考書

5、：Nitride Semiconductors and Device Hadis Morkoc）III族的氮化物有三種晶體結構：閃鋅礦結構、纖鋅礦結構、鹽石巖結構（NaCl）對于AlN、GaN和InN，室溫下：熱力學動力學穩定的結構是纖鋅礦結構。GaN、InN通過薄膜外延生長在立方晶的（110）晶面上，如Si，MgO，GaAs，才能生長出閃鋅礦結構。纖鋅礦結構六角的，有兩個晶格常數c和a，是復式格子。沿c軸方向移動5/8c形成。閃鋅礦結構(Zinc Blende crystal structure)立方晶單胞中含有4個基元（4個III族原子和4個V族原子）復式格子。GaN材料的外延生長：其結構

6、取決于使用的襯底類型 六角晶體襯底長出纖鋅礦結構 立方晶體襯底長出閃鋅礦結構目前常用的襯底：sapphire Al2O3，藍寶石缺點：晶體結構不好，與氮化物的熱匹配不好優點: 來源廣，六角結構，容易處理，高溫穩定。由于熱匹配不好，緩沖層要厚。SiC作為襯底，熱匹配和晶格匹配比較好。缺點：SiC常規工藝很難處理，SiC的結構變數太大。GaN體材料是最理想的。但目前還不能生長出大尺寸的材料。摻雜：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立方晶第一布里淵區截角八面體 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器件的未來：Electronics：GaN帶隙寬，使之最適合高溫應用的半導體材料。高遷移率有利于高頻應用。多數為二維器件應

13、用。Bipolar Transistors：HBT（Heterojunction Bipolar Transistor)由于電流橫向流動，功率消耗很小。一種結構：GaN發射極，SiC基極。導帶帶隙差幾乎為零，但價帶有很大帶隙差。提高發射區發射效率。散熱性能好。Photo-Transistors：光電晶體管。基區通過UV光照射后，產生光注入空穴。實現對集電極電流的控制。Thyristors：晶閘管形成pnpn結構，實現電流的開關控制。Memory Device：存儲器器件是基于電荷存儲。半導體材料中帶電載流子壽命依賴于電荷逃脫陷阱的激活能。而帶隙越寬，通過復合損失的電荷逃脫的可能性就越小。GaN

14、的存儲器具有最高的讀出效率。GaN器件的未來：Optoelectronics : LED1994年，Nakamura報道了商業化GaN基超亮度LED。在固態照明SSL方面有著巨大的潛力。Optoelectronics : LD通過GaAlN組成異質結，制備出邊發光LDs。（Edge-emitting）.只有Nichia制備出CW 20C下， 工作10000小時。UV DetectorsGaAlN/GaN異質結探測器其波段覆蓋太陽盲區，是理想的紫外探測器材料。太陽光譜盲區是指波長在220280納米的紫外波段，這一術語來自下列事實:太陽輻射(紫外輻射的主要來源)的這一波段的光波幾乎被地球的臭氧層所

15、吸收，所以太陽光譜盲區的紫外輻射變得很微弱。這樣，由于空域內太陽光等紫外輻射的能量極其有限，如果出現導彈羽煙的太陽光譜盲區紫外輻射，那么就能在微弱的背景下探測出導彈。X-Ray Detectors制備X-ray探測器。Conducting Windows for Solar CellsOpticsPiezoelectronicsSurface Acoustic Wave GenerationAcousto-Optic ModulatorPyroelectricity：熱電現象。Negative Electron Affinity2。SiC半導體材料的特性由四族Si原子和C原子組成的化合物半導體

16、 SiC晶體結構:具有同質多型的特點幾種典型的晶體結構SiC和Si材料性質：六方結構SiC的解理面是（1100）（1120）(0001)SiC的技術特性：高硬度材料；莫氏硬度9.2-9.3， 金剛石10耐磨材料：金剛石10，SiC 9.15熱穩定性：常壓下不可能熔化，高溫下，SiC升華分解為C和硅蒸汽，殘留下來的石墨以原晶體的贗形存在。化學性質：SiC表面生產SiO2層能防止SiC的進一步氧化。在高于1700溫度下SiO2熔化并迅速發生氧化反應。SiC能溶解于熔融的氧化劑物質，如熔融的Na2O2，或Na2CO3-KNO3混合物。在300下可溶于NaOH+KOH。SiC材料的優勢：寬帶隙、高臨界

17、擊穿電場、高熱導率、高載流子飽和速度應用：高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射等方面具有巨大的應用潛力。特別是在高溫、大功率應用方面，明顯優于Si 和GaAs：SiC的熱導率高于GaAs 8-10倍；4H-SiC和6H-SiC帶隙是GaAs的2倍、Si的3倍；擊穿電場高于Si的1個量級。SiC基器件：1、功率MOSFET器件2、功率整流器3、SiC光電器件紫外光電二極管4、傳感器寬區間高溫溫度傳感器壓力傳感器熱線風速計SiC器件的工藝特點：1、在原料成分的利用度和生態特性方面。具有原料來源的無限性；典型的原料純化和加工處理過程；對生物圈造成的能量負荷和生態學負荷低。2、高溫和化學活性介質的穩定性

18、：在高于2000 和低于標準壓力下，有效的分解（升華）；正常壓力下部熔解400 的堿溶液中和在1000 的含氯氣體中，能有效的化學腐蝕。3、合金的可及性施主雜質N，受主雜質Al和B；施主和受主雜質濃度摻雜濃度范圍寬，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多型在生長、摻雜、氧化過程的結構、取向的選擇性：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半導體材料的特性Key Advantages of ZnO

22、- High Piezoelectric Effect (e33 = 1.2 C/m2, 半導體中最高)- 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）背景介紹隨著集成電路集成度的不斷提高，器件特征尺寸減小，器件內部PN結之間以及器件與器件之間通過襯底的相互作用愈來愈嚴重，出現了一系列材料、器件物理、設計和工藝等方面的新問題。使得深亞微米硅集成電路的集成度、可靠性受到影響。這些問題主要包括：（1）體硅CMOS電路的

25、寄生可控硅閂鎖效應以及體硅器件在宇宙射線輻照環境中出現的軟失效效應等使電路的可靠性降低；（2）隨著器件尺寸的縮小，體硅CMOS器件的各種多維及非線性效應如短溝道效應、窄溝道效應、漏感應勢壘降低效應、熱載流子效應、亞閾值電導效應、速度飽和效應、速度過沖效應等變得十分顯著，影響了器件性能的改善。1.3 Si材料的SOI結構特性（3）器件之間隔離區所占的芯片面積隨器件尺寸的減小相對增大，使得寄生電容增加，互連線延長，影響了集成度及速度的提高。為了克服這些問題，除了采用先進深槽隔離、電子束刻蝕、硅化物等工藝技術外，開發新型材料及探索新型高性能器件和電路結構，成為超高速集成電路所面臨的問題。絕緣襯底硅（

26、Silicon On Insolator SOI）技術以其獨特的材料結構有效地克服了體硅材料的不足，充分發揮了硅集成技術的潛力，逐漸成為研究和開發高速度、低功耗、高集成度及高可靠性ULSI和VLSI的主要技術之一。2、SOI（Silicon On Insolator）材料介紹SOI的形成工藝主要有三種:1、SIMOX（Seperating by IMplant OXygen ）2、鍵合 Bonding3、Semi-Bonding4、Smart Cut 智能剝離技術SIMOX, Bonding和Simbond三種方法比較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 分別為晶體管eb結上并聯的寄生電阻,en,ep時相應發射極串聯電阻。 2 。電源電壓必須大于維持電壓Uh，他所提供的電流必須大于維持電流Ih. 2 觸發電流在寄生電

28、阻上的壓降大于相應晶體管eb結上正向壓降。 觸發信號可以是外界噪聲或電源電壓波動；觸發段可以是電路的任一端。下面以輸出端的噪聲觸發為例來分析其觸發的物理過程，其他端的情況類似。 電路輸出端閂鎖觸發的等效電路如圖1所示，當輸出端上存在正的外部噪聲時，在寄生PNP管Tr1的eb結成正向偏置，基極電流通過Rs流入UDD中，Tr1導通，其集電機電流通過P阱內部Rw進入Uss,Rw上產生壓降，當Tr2管的UBE達到正向導通電壓時，Tr2導通，Tr2的集電極電流流向Tr1基極時期電位降低，Tr1進一步導通結果Udd與Uss之間形成低阻電流通路，這就發生了閂鎖。 溫度升高，晶體管eb結正向導通電壓下降，電流增益和寄生電阻歲溫度升高而增大，導致維持電流Ih歲溫度升高而下降，另外PN結反向漏電隨溫度上升而增大，而P阱襯底結的反向漏電正是寄生SCR結構的觸發電流，所以高溫下閂鎖更易發生。 亞閾值斜率S：也稱為亞閾值擺幅。定義是：亞閾值區漏端電流增加一個量級所需要增大的柵電壓。反映了器件從截止態到導通態電流轉換的陡直度。數學定義：采用半對數坐標的器件轉移特性曲線（lgID-VG）關系中亞閾值區線段斜率的倒數，可表示為：S=dVG/d(lgID).隨著器件特征尺寸的縮小，器件需要在低壓工作，由此帶來的低閾值電壓要求使得器件亞閾值特性研究越