ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ НАНОСТРУКТУР SiGe И ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
|
Реферат
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
Введение 6
1 Физические принципы работы полевых транзисторов 10
1.1 Транзисторы с управляющим p-n-переходом 11
1.2 Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы) 13
1.3 Транзисторы с высокой подвижностью носителей 17
2 Полевые транзисторы на основе SiGe/Si 25
2.1 Способы получения наногетероструктур SiGe 26
2.2 История развития SiGe технологии 28
2.3 Современное состояние SiGe технологии 31
3 Современные методы проектирования полупроводниковых
приборов на примере TCAD Synopsys Sentaurus 35
4 Моделирование полевого транзистора с гетеропереходом
SiGe/Si средствами Synopsys Sentaurus TCAD 42
4.1 Создание структуры транзистора с гетеропереходом SiGe/Si 42
4.2 Расчет характеристик транзистора с гетеропереходом SiGe/Si 43
Заключение 51
Список литературы 52
Приложение А 55
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
Введение 6
1 Физические принципы работы полевых транзисторов 10
1.1 Транзисторы с управляющим p-n-переходом 11
1.2 Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы) 13
1.3 Транзисторы с высокой подвижностью носителей 17
2 Полевые транзисторы на основе SiGe/Si 25
2.1 Способы получения наногетероструктур SiGe 26
2.2 История развития SiGe технологии 28
2.3 Современное состояние SiGe технологии 31
3 Современные методы проектирования полупроводниковых
приборов на примере TCAD Synopsys Sentaurus 35
4 Моделирование полевого транзистора с гетеропереходом
SiGe/Si средствами Synopsys Sentaurus TCAD 42
4.1 Создание структуры транзистора с гетеропереходом SiGe/Si 42
4.2 Расчет характеристик транзистора с гетеропереходом SiGe/Si 43
Заключение 51
Список литературы 52
Приложение А 55
Последние 100 лет характеризуются лавинообразным развитием электроники и внедрением ее буквально во все аспекты жизни людей - от научных применений, связи, информационных систем до секс-роботов с искусственным интеллектом.
Эволюция электроники происходит по следующим основным направлениям: рост быстродействия, уменьшение размеров
(масштабирование), уменьшение энергопотребления, уменьшение стоимости. После вступления человечества в ядерную эру и проникновения в космическое пространство появилась также проблема радиационной стойкости электронных компонентов.
Развитие электроники обеспечивается как за счет использования новых физических принципов функционирования активных электронных компонентов, так и за счет совершенствования технологии их производства. К настоящему времени мы наблюдаем следующую цепочку: вакуумные приборы - электронные лампы (нувисторы - совершенствование технологии), биполярные транзисторы, полевые транзисторы, интегральные микросхемы, транзисторы на базе наногетероструктур, использующие квантовые эффекты и микросхемы на их основе.
Последние названные структуры по их физической основе называют HEMT (High Electron Mobility Transistor - транзисторы с высокой подвижностью электронов), хотя позднее появились транзисторы с высокоц подвижностью дырок. В их основе лежит контакт двух полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны. В результате на их границе возникает область двумерного электронного газа с высокой подвижностью носителей. Исторически первыми были созданы приборы на основе соединений A3B5, например пара GaAs и InGaAs. Позднее были созданы приборы c использованием пары Ge и Si (германий - кремний).
Вторая технология привлекательна тем, что позволяет использовать оборудование и технологические приемы, использующиеся в, теперь уже ставшими традиционными, Si и Ge технологиях. Кроме того, теория предсказывает, что приборы с такой структурой должны иметь более высокие граничные частоты, нежели на основе A3B5. Коммерческий аспект такой технологии в том, что используемая в ней Si-подложка намного дешевле, нежели подложки семейства A3B5.
В нашей стране освоена технология производства приборов на основе материалов типа A3B5. В подпрограмме "Развитие электронной компонентной базы" на 2007-2011 годы федеральной целевой программы "Национальная технологическая база" на 2007-2011 годы указано: «Электроника используется ведущими мировыми державами как рычаг удержания мирового технического, финансового, политического и военного господства. Развивающиеся страны рассматривают государственную поддержку электронной промышленности как наиболее эффективный способ подъема экономики и вхождения в мировой рынок».
Одним из мероприятий упомянутой программы является разработка «базовой технологии производства сверхвысокочастотных интегральных схем высокой степени интеграции на основе гетероструктур "кремний - германий"».
К настоящему времени проблема разработки технологии создания приборов на гетероструктурах «кремний-германий» в России решена не в полной мере. Это открывает широкое поле возможностей для отечественных исследователей. На фоне растущей международной изоляции нашей страны, принятия все новых санкций со стороны ведущих держав, актуальность решения указанной задачи существенно возросла.
В работе рассматривается возможность применения приборнотехнологического моделирования для информативной и менее затратной, чем эксперимент, оценки эффективности работы в области конструирования и изготовления гетероструктур при создании транзисторов на основе гетероструктур "кремний - германий".
Целью моей работы является расчёт параметров полевых транзисторов SiGe/Si с помощью TCAD Synopsys Sentaurus.
Основные задачи:
1 Изучить физические принципы работы полевых транзисторов.
2 Провести обзор работ по способам получения наногетероструктур SiGe.
3 Провести анализ мировых тенденций в разработке полевых транзисторов на основе гетероструктур.
4 Провести обзор современных методов проектирования полупроводниковых приборов.
5 Провести расчет параметров полевых транзисторов на основе SiGe/Si с помощью TCAD Synopsys.
В результате выполнения поставленных в работе задач было сформулировано научное положение, выносимое на защиту.
1 При моделировании полевого транзистора с гетеропереходом SiGe/Si средствами Synopsys Sentaurus TCAD обнаружено наличие максимума на кривой значений максимальной дырочной подвижности в структуре полевого транзистора от толщины верхнего слоя кремния (ph имеет максимум при hSiCap=7.5 нм).
Достоверность научного положения доказывается картинами распределения дырочной подвижности и плотности тока для структур с толщиной поверхностного слоя кремния от 2 нм до 16 нм, а также хорошим совпадением результатов расчетов с имеющимися литературными данными экспериментов других авторов.
Научная новизна защищаемых положений заключается в том, что определен характер распределения дырочного тока в полевых транзисторах на основе SiGe/Si по всему сечению структуры транзистора при разных толщинах поверхностного слоя кремния.
Практическая значимость результатов работы: полученные результаты позволяют разрабатывать конкретные технологические операции по синтезу эпитаксиальных пленок (гетероструктур с твердыми растворами Sil-хGeх с различным процентным содержанием х) для создания на их основе полевых транзисторов с заданными параметрами.
Магистерская диссертация состоит из четырех глав. Первая глава посвящена рассмотрению физических принципов работы полевых транзисторов. Во второй главе рассмотрены способы получения наногетероструктур SiGe методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Проведен обзор истории развития и современному состоянию SiGe технологии. В третьей главе современные методы проектирования полупроводниковых приборов на примере TCAD Synopsys Sentaurus. В четвертой главе с помощью TCAD Synopsys Sentaurus проведено моделирование полевых транзисторов на основе структур SiGe с различными параметрами. Приведены результаты расчетов зависимости параметров транзисторов от состава SiGe и от толщины верхнего слоя Si.
В приложение А представлен патентный отчет по теме «Полевые транзисторы на гетеропереходах SiGe/Si».
Эволюция электроники происходит по следующим основным направлениям: рост быстродействия, уменьшение размеров
(масштабирование), уменьшение энергопотребления, уменьшение стоимости. После вступления человечества в ядерную эру и проникновения в космическое пространство появилась также проблема радиационной стойкости электронных компонентов.
Развитие электроники обеспечивается как за счет использования новых физических принципов функционирования активных электронных компонентов, так и за счет совершенствования технологии их производства. К настоящему времени мы наблюдаем следующую цепочку: вакуумные приборы - электронные лампы (нувисторы - совершенствование технологии), биполярные транзисторы, полевые транзисторы, интегральные микросхемы, транзисторы на базе наногетероструктур, использующие квантовые эффекты и микросхемы на их основе.
Последние названные структуры по их физической основе называют HEMT (High Electron Mobility Transistor - транзисторы с высокой подвижностью электронов), хотя позднее появились транзисторы с высокоц подвижностью дырок. В их основе лежит контакт двух полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны. В результате на их границе возникает область двумерного электронного газа с высокой подвижностью носителей. Исторически первыми были созданы приборы на основе соединений A3B5, например пара GaAs и InGaAs. Позднее были созданы приборы c использованием пары Ge и Si (германий - кремний).
Вторая технология привлекательна тем, что позволяет использовать оборудование и технологические приемы, использующиеся в, теперь уже ставшими традиционными, Si и Ge технологиях. Кроме того, теория предсказывает, что приборы с такой структурой должны иметь более высокие граничные частоты, нежели на основе A3B5. Коммерческий аспект такой технологии в том, что используемая в ней Si-подложка намного дешевле, нежели подложки семейства A3B5.
В нашей стране освоена технология производства приборов на основе материалов типа A3B5. В подпрограмме "Развитие электронной компонентной базы" на 2007-2011 годы федеральной целевой программы "Национальная технологическая база" на 2007-2011 годы указано: «Электроника используется ведущими мировыми державами как рычаг удержания мирового технического, финансового, политического и военного господства. Развивающиеся страны рассматривают государственную поддержку электронной промышленности как наиболее эффективный способ подъема экономики и вхождения в мировой рынок».
Одним из мероприятий упомянутой программы является разработка «базовой технологии производства сверхвысокочастотных интегральных схем высокой степени интеграции на основе гетероструктур "кремний - германий"».
К настоящему времени проблема разработки технологии создания приборов на гетероструктурах «кремний-германий» в России решена не в полной мере. Это открывает широкое поле возможностей для отечественных исследователей. На фоне растущей международной изоляции нашей страны, принятия все новых санкций со стороны ведущих держав, актуальность решения указанной задачи существенно возросла.
В работе рассматривается возможность применения приборнотехнологического моделирования для информативной и менее затратной, чем эксперимент, оценки эффективности работы в области конструирования и изготовления гетероструктур при создании транзисторов на основе гетероструктур "кремний - германий".
Целью моей работы является расчёт параметров полевых транзисторов SiGe/Si с помощью TCAD Synopsys Sentaurus.
Основные задачи:
1 Изучить физические принципы работы полевых транзисторов.
2 Провести обзор работ по способам получения наногетероструктур SiGe.
3 Провести анализ мировых тенденций в разработке полевых транзисторов на основе гетероструктур.
4 Провести обзор современных методов проектирования полупроводниковых приборов.
5 Провести расчет параметров полевых транзисторов на основе SiGe/Si с помощью TCAD Synopsys.
В результате выполнения поставленных в работе задач было сформулировано научное положение, выносимое на защиту.
1 При моделировании полевого транзистора с гетеропереходом SiGe/Si средствами Synopsys Sentaurus TCAD обнаружено наличие максимума на кривой значений максимальной дырочной подвижности в структуре полевого транзистора от толщины верхнего слоя кремния (ph имеет максимум при hSiCap=7.5 нм).
Достоверность научного положения доказывается картинами распределения дырочной подвижности и плотности тока для структур с толщиной поверхностного слоя кремния от 2 нм до 16 нм, а также хорошим совпадением результатов расчетов с имеющимися литературными данными экспериментов других авторов.
Научная новизна защищаемых положений заключается в том, что определен характер распределения дырочного тока в полевых транзисторах на основе SiGe/Si по всему сечению структуры транзистора при разных толщинах поверхностного слоя кремния.
Практическая значимость результатов работы: полученные результаты позволяют разрабатывать конкретные технологические операции по синтезу эпитаксиальных пленок (гетероструктур с твердыми растворами Sil-хGeх с различным процентным содержанием х) для создания на их основе полевых транзисторов с заданными параметрами.
Магистерская диссертация состоит из четырех глав. Первая глава посвящена рассмотрению физических принципов работы полевых транзисторов. Во второй главе рассмотрены способы получения наногетероструктур SiGe методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Проведен обзор истории развития и современному состоянию SiGe технологии. В третьей главе современные методы проектирования полупроводниковых приборов на примере TCAD Synopsys Sentaurus. В четвертой главе с помощью TCAD Synopsys Sentaurus проведено моделирование полевых транзисторов на основе структур SiGe с различными параметрами. Приведены результаты расчетов зависимости параметров транзисторов от состава SiGe и от толщины верхнего слоя Si.
В приложение А представлен патентный отчет по теме «Полевые транзисторы на гетеропереходах SiGe/Si».
В работе проведено подробное рассмотрение физических принципов работы полевых транзисторов: транзисторов с управляющим p-n-переходом; транзисторов с изолированным затвором (МДП-транзисторы); транзисторов с высокой подвижностью электронов.
Проведен обзор научных работ по разработке полевых транзисторов на основе SiGe/Si. Рассмотрены способы получения наногетероструктур SiGe, в том числе методом молекулярно-лучевой эпитаксии, а также современное состояние SiGe технологий.
Рассмотрены методы проектирования полупроводниковых приборов на основе TCAD производства двух фирм: Silvaco (США) и Synopsys (США). Обе системы, Silvaco TCAD и Synopsys Sentaurus TCAD, имеют схожие возможности по симуляции технологических процессов (эпитаксия, отжиг, диффузия, травление и пр.), и симуляции поведения созданной структуры под действием различных факторов. Моделирование может производится как в 2D, так и в 3D представлении.
Проведено моделирование полевого транзистора с гетеропереходом SiGe/Si средствами Synopsys Sentaurus TCAD. Получены результаты расчетов зависимости параметров транзисторов от состава SiGe и от толщины верхнего слоя Si. Показано, что значения максимальной дырочной подвижности в структуре полевого транзистора на основе SiGe растет линейно в зависимости от молярной доли Ge. Проведены расчеты зависимости параметров транзистора от толщины верхнего слоя Si. Обнаружено наличие максимума на кривой значений максимальной дырочной подвижности в структуре полевого транзистора на основе SiGe от толщины верхнего слоя (ph имеет максимум при hSiCap=7.5 нм).
В дальнейшем планируется моделирование транзисторов в 3D представлении, а также моделирование транзисторов на основе SiGe с квантовыми точками германия.
Проведен обзор научных работ по разработке полевых транзисторов на основе SiGe/Si. Рассмотрены способы получения наногетероструктур SiGe, в том числе методом молекулярно-лучевой эпитаксии, а также современное состояние SiGe технологий.
Рассмотрены методы проектирования полупроводниковых приборов на основе TCAD производства двух фирм: Silvaco (США) и Synopsys (США). Обе системы, Silvaco TCAD и Synopsys Sentaurus TCAD, имеют схожие возможности по симуляции технологических процессов (эпитаксия, отжиг, диффузия, травление и пр.), и симуляции поведения созданной структуры под действием различных факторов. Моделирование может производится как в 2D, так и в 3D представлении.
Проведено моделирование полевого транзистора с гетеропереходом SiGe/Si средствами Synopsys Sentaurus TCAD. Получены результаты расчетов зависимости параметров транзисторов от состава SiGe и от толщины верхнего слоя Si. Показано, что значения максимальной дырочной подвижности в структуре полевого транзистора на основе SiGe растет линейно в зависимости от молярной доли Ge. Проведены расчеты зависимости параметров транзистора от толщины верхнего слоя Si. Обнаружено наличие максимума на кривой значений максимальной дырочной подвижности в структуре полевого транзистора на основе SiGe от толщины верхнего слоя (ph имеет максимум при hSiCap=7.5 нм).
В дальнейшем планируется моделирование транзисторов в 3D представлении, а также моделирование транзисторов на основе SiGe с квантовыми точками германия.
