Реферат
Введение 4
1 Основная теория полупроводниковых наноструктур 5
1.1 Г етеропереходы 7
2 Способы получения наногетероструктур Ge/Si 10
2.1 Эпитаксиальные методы 11
2.2 Молекулярно-лучевая эпитаксия 12
3 Транзисторы на основе Si и Ge 15
3.1 Физика работы полевого транзистора 15
3.2 Создание структур на Si и Ge 20
4 Обзор работ по созданию транзисторов на основе Si, Ge и SiGe 22
5 Моделирование полупроводниковых приборов средствами TCAD Sentaurus 29
5.1 Описание программы 29
5.2 Расчет на простых материалах GaAs 30
5.3 Расчет параметров для быстродействующего транзистора Si/SiGe 33
Заключение 36
Список литературы 38
Твердотельная СВЧ-электроника в последнее время прогрессирует довольно быстро. И если цифровая электроника в тот же период в основном развивалась в направлении совершенствования существующих технологий, главным образом кремниевых, то в СВЧ-электронике происходит активное освоение новых материалов и приборных структур. Например, конец ХХ века ознаменовался созданием нового технологического процесса с использованием SiGe, который позволил дать реальную базу для создания сложных систем на кристалле.
Основой предложенного процесса служит биполярный транзистор с гетеропереходом, в котором область базы легируется материалом SiGe, что позволяет получать такие предельные частоты, которые ранее считались недостижимыми для кремниевых приборов. Данный процесс улучшает и параметры пассивных элементов, увеличивая добротность индуктивных и емкостных элементов и позволяя получать широкий диапазон значений резисторов. Также как и обычная кремниевая технология, процесс на SiGe обладает свойствами хорошей тепловой проводимости и низких токов утечки. Хорошая тепловая проводимость полезна при проектировании усилителя мощности, в то время как низкие токи утечки позволяют проектировать смешанные аналогово/цифровые микросхемы. Наиболее перспективным методом получения таких структур является метод молекулярно-лучевой эпитаксии, т. к. обладает более высокой точностью и способностью задавать параметры структур.
Целью моей работы является расчёт параметров быстродействующих транзисторов GeSi на Si.
Основные задачи:
• изучение основ теории полупроводниковых структур;
• способы получения наногетероструктур Ge/Si;
• обзор работ по созданию транзисторов на основе Ge/Si;
• расчет параметров для быстродействующего транзистора Si/SiGe.
Основная теория полупроводниковых наноструктур
Простейшая квантовая структура, в которой движение электрона ограничено в одном направлении, - это тонкая пленка или просто достаточно тонкий слой полупроводника. Если твердотельный материал пространственно ограничен в одном, двух или трех измерениях до масштабов от десятков до единиц нанометров (рисунок 1), то получающиеся объекты представляют собой квантовые ямы, квантовые нити или квантовые точки. Квантовая яма - квантово-размерная структура, обеспечивающая ограничение движения носителей заряда лишь в одном измерении. Квантовая точка - квантово-размерная структура, обеспечивающая ограничение движения носителей заряда сразу в трех измерениях, то есть свободное движение носителей заряда в квантовой точке отсутствует вообще.Из-за пространственного ограничения движения носителей заряда в этих структурах возникает эффект размерного квантования, который заключается в том, что непрерывный энергетический зонный спектр носителей расщепляется (рисунок 2) на подзоны размерного квантования (ямы и нити) или дискретные уровни размерного квантования (нанокристаллы). В результате в плотности состояний низкоразмерных систем возникают характерные особенности (рисунок 3)....
Быстродействующие гетеропереходные транзисторы на основе соединений Si/Ge являются наиболее интересными для развития науки. Твердые растворы SiGe -это перспективные новые материалы. С одной стороны, его электрические и оптические свойства могут быть гибко адаптированы к требованиям конструкции, с другой стороны, технология SiGe совместима с традиционной технологией Si [14]. Таким образом, гетеропереходные SiGe и SiGe MOSFET обладают более высоким ценовым соотношением и могут широко применяться в различных областях электроник. Исследования показывают, что SiGe MOSFET обладает рядом преимуществ, таких как низкое энергопотребление, высокий уровень интеграции чипов, высокая частота отсечки и простые технологии.
Метод молекулярно-лучевой эпитаксии является самым перспективным методом для создания и исследования различных структур. Сверхвысокий вакуум позволяет выращивать качественные тонкие пленки без дефектов. Благодаря вакууму в камере роста исключается содержание примесей, а также увеличивается свободный пробег атомов, что значительно увеличивает качество выращиваемых пленок. Низкая температура в процессе роста уменьшает диффузию атомов и молекул из прилегающих материалов. Наличие систем управления молекулярных источников дают возможность резкого прерывания и возобновления поступления потоков атомов и молекул выращиваемого материала, что позволяет создавать резкие границы структур между слоями. Возможность анализировать структуры, состав и морфологию растущих слоев в процессе их формирования способствует получению совершенных эпитаксиальных структур.
Таким образом, в ходе выполнения данной работы были получены следующие результаты:
1. Рассмотрены основы теории полупроводниковых структур, гетероперехода и способы получения наногетероструктур .
2. Проведен обзор по последним достижениям в разработке конструкций биполярных и полевых транзисторов на основе системы кремний-германий.
3. Показана перспективность использования метода МЛЭ для синтеза наногетероструктур.
4. С помощью TCAD Sentaurus создана полупроводниковая модель HEMT-транзистора на основе GaAs с учетом распределения примеси и построены выходные ВАХ транзистора.
5. Проведена экспериментальная работа по созданию конструкции на основе твердых растворов SiGe и получены выходные вольт-амперные характеристики исследуемой конструкции с помощью программного обеспечения TCAD Sentaurus.
