1、 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院北京工业大学电控学院2006年9月 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院半导体器件电子学半导体器件电子学课程大纲课程大纲第一章第一章 现代半导体材料晶体结构和特性（现代半导体材料晶体结构和特性（10学时）学时）1.1半导体的基本特性与常见半导体材料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新型宽带半导体材料的特性1.3 Si材料的材料的SOI结构特性结构特性 1.4半导体材料的压电特性半导体材料的压电特性第二章第二章 载流子输运特性及非平衡态（载流子输运特性及非平衡态（14学时）学时）2
2、.1 体材料半导体载流子的性质及电流密度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器件的小尺寸带来的热问题2.4 小尺寸下的量子效应小尺寸下的量子效应2.5 小尺寸器件中的量子力学机理小尺寸器件中的量子力学机理2.6 二维电子气的输运二维电子气的输运2.7 调制掺杂结构和场效应晶体管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强磁场中的二维电子气2.9 掺杂对输运特性的影响掺杂对输运特性的影响第三章第三章 半导体结特性的电子学分析（半导体结特性的电子学分析（6学时）学时）3
3、.1 PN结的模型结的模型3.2求解空间电荷区的近似解析模型求解空间电荷区的近似解析模型 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 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第一章 现代半导体材料晶体结构和特性现代半导体材料晶体结构
4、和特性 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院二、常见的半导体材料二、常见的半导体材料 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院构成半导体材料的主要元素及其在元素周期表中的位置构成半导体材料的主要元素及其在元素周期表中的位置 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院元素半导体元素半导体Si：是常用的元素半导体材料，是目前最为成熟的材料，广是常用的元素半导体材料，是目前最为成熟的材料，广泛用于泛用于VLSIVLSI。Ge：早期使用的半导体材料。早期使用的半导体材料。化合物半导体化合物半导体-族化合物（族化合物（A AIIIIIIB B
5、V V）-：Al，Ga，In P，As，N N，Sb（碲）碲）GaAsGaAs、InPInP、GaPGaP、InAsInAs、GaNGaN等。等。-族化合物（族化合物（A AIIIIB BVIVI）：Zn，Cd，Hg S，Se，Te ZnO、ZnS、TeCdHg等等-化合物（化合物（A AIVIVB BiViV）SiGeSiGe、SiCSiC。半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院混合晶体构成的半导体材料混合晶体构成的半导体材料两种族化合物按一比例组成，如两种族化合物按一比例组成，如 xAxAC C+(1-x)B+(1-x)BC C，xAxAC C+(1-x)B+(1-x
6、)BC C，SiSix xGeGe1-x1-x，能带工程能带工程：由于可能通过选取不同比例的：由于可能通过选取不同比例的x x，而改变混晶的而改变混晶的物理参数物理参数(禁带宽度，禁带宽度，折射率等折射率等)，这样人们可以根据光，这样人们可以根据光学或电学的需要来调节配比学或电学的需要来调节配比x 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。电子、微电子方面有很重要的作用。半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院三、常见半导体的结构类型三、常见半导体的结构类型 金刚石结构：金刚石
7、结构：Si、Ge 闪锌矿结构：闪锌矿结构：GaAs、InPInP、InAs、InSb、AlP、AlSb、CdTe 纤锌矿结构：纤锌矿结构：GaN、AlN、SiC金刚石结构：金刚石结构：半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院闪锌矿结构闪锌矿结构 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院纤锌矿结构纤锌矿结构 半导
8、体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院1.2 新型宽带半导体材料的特性新型宽带半导体材料的特性 1。GaN半导体材料的特性半导体材料的特性由三族元素由三族元素Ga和五族元素和五族元素N，III-V族化合物半导体。族化合物半导体。晶体结构分为晶体结构分为:闪锌矿结构闪锌矿结构(Zinc Blende crystal structure)立方晶立方晶纤锌矿结构纤锌矿结构(Wurtzite crystal structure)六角六角GaN在在1932年人工合成。年人工合成。（参考书：（参考书：Nitride Semic
9、onductors and Device Hadis Morkoc）III族的氮化物有三种晶体结构：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（闪锌矿结构、纤锌矿结构、盐石岩结构（NaCl）对于对于AlN、GaN和和InN，室温下：热力学动力学稳定的结构是纤，室温下：热力学动力学稳定的结构是纤锌矿结构。锌矿结构。GaN、InN通过薄膜外延生长在立方晶的（通过薄膜外延生长在立方晶的（110）晶面上，如）晶面上，如Si，MgO，GaAs，才能生长出，才能生长出闪锌矿结构。闪锌矿结构。半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院纤锌矿结构纤锌矿结构六角的，有两个晶格
10、常数六角的，有两个晶格常数c和和a，是复式格子。，是复式格子。沿沿c轴方向移动轴方向移动5/8c形成。形成。闪锌矿结构闪锌矿结构(Zinc Blende crystal structure)立方晶立方晶单胞中含有单胞中含有4个基元（个基元（4个个III族原子和族原子和4个个V族原子）族原子）复式格子。复式格子。GaN材料的外延生长：材料的外延生长：其结构取决于使用的衬底类型其结构取决于使用的衬底类型 六角晶体衬底长出纤锌矿结构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立方晶体衬底长出闪锌矿结构目前常用的衬底：目前常用的衬底：sapphire Al2O3，蓝宝石，蓝宝石缺点：晶体结构
11、不好，与氮化物的热匹配不好缺点：晶体结构不好，与氮化物的热匹配不好优点优点:来源广，六角结构，容易处理，高温稳定。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。由于热匹配不好，缓冲层要厚。半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院SiC作为衬底，热匹配和晶格匹配比较好。作为衬底，热匹配和晶格匹配比较好。缺点：缺点：SiC常规工艺很难处理，常规工艺很难处理，SiC的结构变数太大。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体材料是最理想的。但目前还不能生长出大尺寸的材料。的材料。掺杂：掺杂：n-GaN:Si，Ge，Sn（Selenium）
12、p-GaN：Mg，（，（1989）Zn，Be，Hg，CBasic Parameters:Zinc Blende crystal structureEnergy gaps,Eg 3.28 eV 0 KEnergy gaps,Eg 3.2 eV 300 KElectron affinity 4.1 eV 300K 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 Conduction band Energy separation between valley and X valleys E 1.4eV 300KEnergy separation between valley and L
13、 valleys EL 1.61.9eV 300KEffective conduction band density of states：1.2 x 1018 cm-3 300KValence bandEnergy of spin-orbital splitting Eso 0.02eV 300KEffective valence band density of states 4.1 x 1019 cm-3 300K 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院立方晶第一布里渊区截角八面体立方晶第一布里渊区截角八面体 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院
14、 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院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 energy 3.4751(5)eV 1.6 K;A-exciton(transition from 9v)3.4815(10)eV 1.6
15、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 eV 300 K 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件电子学北
16、工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院Conduction 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 K Energy separation between valley and A valleys 1.3 2.1 eV 300 K Energy separation between A-valley degeneracy 1 eV3
17、00 K also The energy separations between 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 K 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院Valence band Energy of spin-orbital splitting Eso 0.008 eV 3
18、00 KEnergy of spin-orbital splitting Eso 11(+5,-2)meV 300 K;Energy 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 K 半导体器件电子学半导体器件
19、电子学北工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院2。GaN材料的主要器件特性材料的主要器件特性GaN器件的未来：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。迁移率有利于高频应用。多数为二维器件应用。多数为二维器件应用。Bipolar Transistors：HBT（Heterojunction Bipolar Transistor)由于电流横向流动，功率消耗很小。由于电流横向流动，功
20、率消耗很小。一种结构：一种结构：GaN发射极，发射极，SiC基极。导带带隙差几乎基极。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。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。散热性能好。半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院Photo-Transistors：光电晶体管。：光电晶体管。基区通过基区通过UV光照射后，产生光注入空穴。实现对集光照射后，产生光注入空穴。实现对集电极电流的控制。电极电流的控制。Thyristors：晶闸管：晶闸管形成形成pnpn结构，实现电流的开关控制。结构，实现电流的开关控制。Memory Device：存储器器件
21、是基于电荷存储。半导：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能。而带隙越宽，通过复合损失的电荷逃脱的可能性就越小。就越小。GaN的存储器具有最高的读出效率。的存储器具有最高的读出效率。半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院GaN器件的未来：器件的未来：Optoelectronics:LED1994年，年，Nakamura报道了商业化报道了商业化GaN基超亮度基超亮度LED。在固。在固态照明态照明SSL方面有着巨大的潜力。方面有着巨大的潜力。Op
22、toelectronics:LD通过通过GaAlN组成异质结，制备出边发光组成异质结，制备出边发光LDs。（。（Edge-emitting）.只有只有Nichia制备出制备出CW 20C下，下，工作工作10000小时。小时。UV DetectorsGaAlN/GaN异质结探测器其波段覆盖太阳盲区，是理想的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。紫外探测器材料。半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院太阳光谱盲区太阳光谱盲区是指波长在是指波长在220280纳米的紫外波纳米的紫外波段，这一术语来自下列事实段，这一术语来自下列事实:太阳辐射太阳辐射(紫外辐射紫外辐
23、射的主要来源的主要来源)的这一波段的光波几乎被地球的臭氧的这一波段的光波几乎被地球的臭氧层所吸收，所以层所吸收，所以太阳光谱盲区太阳光谱盲区的紫外辐射变得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能量极其有限，如果出现导弹羽烟的太阳光谱太阳光谱盲区盲区紫外辐射，那么就能在微弱的背景下探测紫外辐射，那么就能在微弱的背景下探测出导弹。出导弹。X-Ray Detectors 制备制备X-ray探测器。探测器。半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院Conducting Windows for
24、Solar CellsOpticsPiezoelectronicsSurface Acoustic Wave GenerationAcousto-Optic ModulatorPyroelectricity：热电现象。：热电现象。Negative Electron Affinity 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院2。SiC半导体材料的特性半导体材料的特性由四族由四族Si原子和原子和C原子组成的化合物半导体原子组成的化合物半导体 SiC晶体结构晶体结构:具有同质多型的特点具有同质多型的特点 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院几种典型的晶体结
25、构几种典型的晶体结构 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 SiC和和Si材料性质：材料性质：六方结构六方结构SiC的解理面是（的解理面是（1100）（）（1120）(0001)半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件
26、电子学北工大电控学院北工大电控学院SiC的技术特性：的技术特性：高硬度材料；莫氏硬度高硬度材料；莫氏硬度9.2-9.3，金刚石金刚石10 耐磨材料：金刚石耐磨材料：金刚石10，SiC 9.15 热稳定性：常压下不可能熔化，高温下，热稳定性：常压下不可能熔化，高温下，SiC升华升华分解为分解为C和硅蒸汽，残留下来的石墨以原晶体的赝和硅蒸汽，残留下来的石墨以原晶体的赝形存在。形存在。化学性质：化学性质：SiC表面生产表面生产SiO2层能防止层能防止SiC的进一步的进一步氧化。在高于氧化。在高于1700温度下温度下SiOSiO2 2熔化并迅速发生氧熔化并迅速发生氧化反应。化反应。SiCSiC能溶解于
27、熔融的氧化剂物质，如熔融能溶解于熔融的氧化剂物质，如熔融的的NaNa2 2O O2 2，或，或NaNa2 2COCO3 3-KNO-KNO3 3混合物。在混合物。在300300下可溶于下可溶于NaOH+KOHNaOH+KOH。半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院SiC材料的优势：材料的优势：宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和速度和速度 应用：应用：高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜力。巨大的应用潜力。特别是在高温、大功率应用方面，明显优于特别是在高温
28、、大功率应用方面，明显优于Si 和和GaAs：SiC的热导率高于的热导率高于GaAs 8-10倍；倍；4H-SiC和和6H-SiC带隙是带隙是GaAs的的2倍、倍、Si的的3倍；倍；击穿电场高于击穿电场高于Si的的1个量级。个量级。半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院SiC基器件：基器件：1、功率、功率MOSFET器件器件2、功率整流器、功率整流器3、SiC光电器件光电器件 紫外光电二极管紫外光电二极管4、传感器、传感器 宽区间高温温度传感器宽区间高温温度传感器 压力传感器压力传感器 热线风速计热线风速计 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院Si
29、C器件的工艺特点：器件的工艺特点：1、在原料成分的利用度和生态特性方面。、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；具有原料来源的无限性；典型的原料纯化和加工处理过程；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。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：、高温和化学活性介质的稳定性：在高于在高于2000 和低于标准压力下，有效的分解（升和低于标准压力下，有效的分解（升华）；华）；正常压力下部熔解正常压力下部熔解 400 400 的碱溶液中和在的碱溶液中和在1000 1000 的含氯气体中，能的含氯气体中，能有效的化学腐蚀。有效的
30、化学腐蚀。3 3、合金的可及性、合金的可及性 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 施主杂质施主杂质N N，受主杂质，受主杂质AlAl和和B B；施主和受主杂质浓度掺杂浓度范围宽，施主和受主杂质浓度掺杂浓度范围宽，10101515-10-1021 21/cm/cm3 34 4、可以以自身的碳形成本征掩膜，也存在本征氧化物、可以以自身的碳形成本征掩膜，也存在本征氧化物SiOSiO2 2。5 5、SiCSiC多型在生长、掺杂、氧化过程的结构、取向的多型在生长、掺杂、氧化过程的结构、取向的选择性：选择性：半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院Fundam
31、ental Properties of ZnOII-VI compound semiconductor.Direct bandgap,with Eg 3.32 eV.Bandgap engineering:alloy with 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
32、sensing.Al or Ga doping=transparent conductive oxide.Li&Mg doping=ferroelectric.Alloyed with Mn=magnetic oxide semiconductor.Combine electrical,optical and piezoelectrical propertiesZincOxygen0 0 0 12-1-1 01 1-2 0-1 2-1 0 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院Molecular mass 81.389-Specific gravity at room t
33、emp.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 coefficient -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 ener
34、gy 60 meV-Specific heat 0.125 cal/gm-Thermal conductivity 0.006 cal/cm/K-Thermoelectric Constant at 573 K 1200 mV/K3。ZnO半导体材料的特性半导体材料的特性 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院Key Advantages of ZnO-High Piezoelectric Effect(e33=1.2 C/m2,半导体中最高半导体中最高)-High Thermal Conductivity of 0.54 Wcm-1K-1(0.5 for GaAs)-L
35、argest 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 electrons/cm-2)-Drift Mobility Saturates at Higher Fields&Higher Values than GaN=attractive for high frequency devices-Ver
36、y Low Dark Current UV Detectors with maximum spectral response at 350nm-Strong Two-Photon Absorption with High Damage Thresholds,=attractive for optical power limiting devices-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
37、Si.半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院SAW,BAW,MEMSCrystal StructureWurtzite structureSmall latticemismatch with GaNLarge k2Has large vSAWwhengrown on Al2O3Low attenuationLarge Direct band gapLarge exciton EbAnisotropyHigh structural qualityHigh resistivitySharp ZnO/Al2O3interfaceRequirementsPropertiesHig
38、h Structural qualityLow non-radiativerecombination centersHigh structural qualityLow defect densityLow surfaceroughnessBuffer Layer for GaNPiezoelectricityOpticalPropertiesUV Laser,SensorModulatorNew material for theblue revolution 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院1、SOI（Silicon On Insolator）背景介绍背景介绍随着集
39、成电路集成度的不断提高，器件特征尺寸减小，器随着集成电路集成度的不断提高，器件特征尺寸减小，器件内部件内部PN结之间以及器件与器件之间通过衬底的相互作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：度、可靠性受到影响。这些问题主要包括：（1）体硅）体硅CMOS电路的寄生可控硅电路的寄生可控硅闩锁效应闩锁效应以及体硅器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件
40、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；可靠性降低；（2）随着器件尺寸的缩小，体硅）随着器件尺寸的缩小，体硅CMOS器件的各种多维器件的各种多维及非线性效应如及非线性效应如短沟道效应短沟道效应、窄沟道效应窄沟道效应、漏感应势垒漏感应势垒降低效应降低效应、热载流子效应热载流子效应、亚阈值电导效应、亚阈值电导效应、速度饱和速度饱和效应效应、速度过冲效应速度过冲效应等变得十分显著，影响了器件性能等变得十分显著，影响了器件性能的改善。的改善。1.3 Si材料的材料的SOI结构特性结构特性 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院（3）器件之间隔离区所占的芯片面积随
41、器件尺寸的减）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。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。所面临的问题。绝缘衬底硅（绝缘衬底硅（Silicon On Insolator SOI）技术以其独特技术以其独特的材料结构有效
42、地克服了体硅材料的不足，充分发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度、低功耗、高集成度及高可靠性ULSI和和VLSI的主的主要技术之一。要技术之一。半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院2、SOI（Silicon On Insolator）材料介绍材料介绍SOI的形成工艺主要有三种的形成工艺主要有三种:1、SIMOX（Seperating by IMplant OXygen）半导体器件电
43、子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院2、键合、键合 Bonding 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院3、Semi-Bonding 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院4、Smart Cut 智能剥离技术智能剥离技术 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院SIMOX,Bonding和和Simbond三种方法比较三种方法比较SIMOXBondingSimbondWafersOne wafer Two wafers Two wafers Wafer size4,5,6&8 4,5,6&8 4,5,6&8 Proce
44、ssTwo 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.半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院2 触发电流在寄生电阻上的压降大于相应晶体管触发电流
45、在寄生电阻上的压降大于相应晶体管eb结上正向结上正向压降。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。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，当输出端上存在所示，当输出端上存在正的外部噪声时，在寄生正的外部噪声时，在寄生PNP管管Tr1的的eb结成正向偏置，基极结成正向偏置，基极电流通过电流通过Rs流入流入UDD中，中，Tr1导通，其集电机
46、电流通过导通，其集电机电流通过P阱内阱内部部Rw进入进入Uss,Rw上产生压降，当上产生压降，当Tr2管的管的UBE达到正向导通达到正向导通电压时，电压时，Tr2导通，导通，Tr2的集电极电流流向的集电极电流流向Tr1基极时期电位降基极时期电位降低，低，Tr1进一步导通结果进一步导通结果Udd与与Uss之间形成低阻电流通路，这之间形成低阻电流通路，这就发生了闩锁。就发生了闩锁。温度升高，晶体管温度升高，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，另岁温度升高而下降，另外外
47、PN结反向漏电随温度上升而增大，而结反向漏电随温度上升而增大，而P阱衬底结的反向漏电阱衬底结的反向漏电正是寄生正是寄生SCR结构的触发电流，所以高温下闩锁更易发生结构的触发电流，所以高温下闩锁更易发生。半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 亚阈值斜率亚阈值斜率S：也称为亚阈值摆幅。定义是：亚阈值：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。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数学定义：采用半对数坐标的器件转
48、移特性曲线（lgID-VG）关系中亚阈值区线段斜率的倒数，可表）关系中亚阈值区线段斜率的倒数，可表示为：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，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由此带来的低阈值电压要求使得器件亚阈值特性研究越显重要，尤其需要陡直的亚阈值斜率，不仅可究越显重要，尤其需要陡直的亚阈值斜率，不仅可以得到较低的阈值电压，还可以降低截止态电流。以得到较低的阈值电压，还可以降低截止态电流。半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院 半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北
49、工大电控学院 热载流子效应：在漏端的强场区，沟道电子获得能量，并加热载流子效应：在漏端的强场区，沟道电子获得能量，并加速向栅氧化层中运动，导致电荷注入到栅氧化层并在二氧化速向栅氧化层中运动，导致电荷注入到栅氧化层并在二氧化硅层中产生固定电荷。该固定电荷使器件的阈值电压上升，硅层中产生固定电荷。该固定电荷使器件的阈值电压上升，驱动能力下降。驱动能力下降。热载流子：强电场情况下，载流热载流子：强电场情况下，载流子从电场中获得的能量很多，载子从电场中获得的能量很多，载流子的平均能量比热平衡状态时流子的平均能量比热平衡状态时的大，因而载流子和晶格系统不的大，因而载流子和晶格系统不再处于热平衡态。温度是
50、平均动再处于热平衡态。温度是平均动能的量度，载流子能量大于晶格能的量度，载流子能量大于晶格系统的能量，引进载流子的有效系统的能量，引进载流子的有效温度温度Te，描写与晶格系统系统不，描写与晶格系统系统不处于热平衡状态的载流子，这种处于热平衡状态的载流子，这种状态的载流子为热载流子。状态的载流子为热载流子。半导体器件电子学半导体器件电子学北工大电控学院北工大电控学院短沟道效应：短沟道中，由于栅下一些耗尽层电荷被短沟道效应：短沟道中，由于栅下一些耗尽层电荷被源和漏所控制，导致栅控制的耗尽电荷减少，致使源和漏所控制，导致栅控制的耗尽电荷减少，致使阈值电压减少。阈值电压减少。SOI中的短沟道效应：电荷
