Введение к работе
Актуальность теш. Освоение гшллиметрового в субьшлиметро-Еого диапазонов электромагнитных волн связано с уменьшением характерах раз:.хзрсв активних областей подуяроводвзассвих структур. Малые. размеры необходам для того, чтобы сократить пролетные времена и умэпьвить кекэдектродйыв е?лкости и, тем самым, повысить рабочу» частоту.
Уменьшение.размеров активны? областей в повышение частоты приводят" к изменению характера переноса зарядов з пол5;*роводни-овнх структурах.-Во-первыхt малые размеры структур требуют учета даназния-носителей по.крайней мера по двум координатам, важным такса является учет 'пространственной неоднооодности профиля легирования. Во-вторих, сокращение размеров связано с увеличением электрических голеЗ в струкіруре, а, следовательно, необходи-їло учитывать нелипейшо эффекта сильных полей. в-третьих, в силыюнеодяороднсч и быстроменяющемся электрическом поле не успевает установиться термодинамическое, равновесие мозду электрон-ио-дирочной плазмой и кристаллической решеткой, нарушается однозначная сі.язь скорости носителе? с'электричвским полом, и возникает офракт всплеска дрейфовой скорости.
Теки* образом, система уравнения, описывавшая электронные процесса в полупроводниковых структурах,, является двух или трех-иіриой и существенно яелйдайной, что делает затруднительным использование аналитических расчетов для аяалнза н проектирования соврошшшх полупроводниковых приборов. Поэтому наизбеэяым представляется использование» численних методов для решения указанной система уравнений. Численные математические модели наиболее адекватно отр'тйют рззлыше физические_ процессы, происходящие з полупроводниковой структуре прибора в позволяют учесть большинство реальних физических эффектов. В то sa время математическая модель, реализованная на ЭВМ. дает возможность наглядно представить и количественно описать электрошшв процесса в структуре.
Необходимость моделирования полупроводниковых приборов.диктуется двумя осяовнши причинами. Во-первых, при разработке и проектирован приборов важно понять, каким образом работает
4.
прибор, какие процессы происходят в его структура. В настоящее время не существует падежных ыетодов експериментального измерения характеристик электронного готокз'в полупроводаикэ. Математическая модель позволяет изучать физические процессы в структуре не вмешиваясь в ее работу. Во-вторых, прт разработке технологической цепочки изготовления прибора очень важной является возможность прогнозирования электрических характеристик структуры с помощью численного моделирования на проводя дорогостоящих пробных экспериментов, с целью подбора технологических режимов.
Для изучения электронных процессов в полупроводниковых структурах применяются модели трех уровней. Наиболее хорово изученными являются модели, основанные на приближении дрейфа-диффузии, называемые локально-полевыми яда просто локальными. В таких моделях подвижность носителей рассматривается как однозначная (локальная) функция электрического поля, инерционность процесса обмена энергией между электронами и кристаллической решеткой не учитывается. Локально-полевые численные модели позволяет учитывать двумерный характер перемещения носителей ь структуре в распределения концентрации носителей и потенциала. Однако для исследования эффектов в субмикрбнннх пслупроводниковых структурах они непригодны, поскольку характерные масштабы изменения электрического поля становятся соизмеримыми с характерными длинами изменения энергии и средней скорости движущихся зарядов.
Более адекватными моделями являются квазигидроданеглиеские или температурные модели. Основным преимуществен их перед локальными моделями является возможность учета эффекта всплеска дрейфовой скорости носителей. Эффект всплеска скорости заключается в том, что при резком увеличениа напряженности электргчес-кого поля скорость дрейфа шкет на короткое время превысить в несколько раз свое стационарное значение. Причина эффекта в конечности времени обмена энергией между полем и газом электронов. В наче-ъшй промежуток времени после изменения поля носители заряда не успевают существенно изменять своей энергии даже после первых нескольких актов рассеяния, а, следовательно, изменить своей подвижности. Подвижность встается высокой в течеше времени порядка времени релаксации энергии носителей и в увеличенном
5.
поле' скорость может быть выше стационарного значения. В результате бнстродействио субмикрошюго прибора может бить существенно выше, чем предсказывает локально-полевая модель.
Принципиально иными являются модели, основанные на методе крупных частиц. Их суть заключается в моделировании движения отдельных заряженных частиц, эквивалентных некоторому числу элементарных носителей зарядз, при этом пользуются не усредненными какровэличинами, а микроскопическими. Усреднение выходных токов и Ні..ірякений по ансамблю частиц дает электрические характеристики прибора. При использовании такой модели возможен учет практически любого пресекающего в полупроводнике физического процесса. Однако модели, используищие метод частиц требуют, как правило, огромных ресурсов ЭВМ по сравнению с двумя ііретщдуїщши классами моделей. Так расчет одного стационарного состояния может занимать несколько часов, причем затраты времени растут пропорционально размерам структуры. Поэтому модели частиц мтут приманяться только для изучения некоторых физических Э'Кектов в полупроводниковых структурах или в качестве эталона для проворки моделей более ішзкого уровня. Для оперативного получения информации об элактрошшх процессах в гтрибс, в такие модели непригодны.
В настояйей работе обсуадаытся и изучаются пршщгаты построения локально- полевых и температурных численных модjлей переноса электронов и дырок в структурах ряда полупроводниковых приборов. Рассматриваются структуры сверхвысокочзстотных приборов, таких как интекхшонно-пролетный диод, СВЧ-полевые транзисторы различных конструкций.
Цель работы построение и развитие локально-полевых и температурных численных даделей нестационарных электронных процессов в полугфоводгппсовых структурах сверхшеокочастотнчх приборов и изучение- с их помощью эффектов, возникавдих при уменьшении характерных размеров таких структур к ловыпюкин частоты внеоших сигналов. Изучаются эффекта как геометрического характера, такие как двукзрность потока носителей, неоднородность профиля легирующей примеси, так и связанные с нестационарностью разогрева электронного газа, исследуется влияние таких эффектов на частотные характеристики и вознозшоста их использования для повышения
6.
быстродействия приборов.
Научная новизна. В диссертации впервые;
построена численная квазигидродинамггчаская модель работы ин-жекционно-пролетного диода миллиметрового диапазона волн: с учетом эффекта всплеска скорости;
предложен метод построения высокочастотной эквивалентной схемы полового транзистора, учитывающей влияние статического домена сильного юля в структуре, основанный на двумерной численной. модели;
предложена и реализована новая двумерная лодель тепловые шумов полевого транзистора, основанная на непосредственном моделиро-. вании тепловых флуктуации в структуре; .
определена область структуры полевого транзистора, дающая наибольший вклад в шумы прибора;
построена численная модель нестационарного переноса элоктронов-в структуре полевого транзистора.с противолежащим » током;
Практическая ценность. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы:
при разработке и проектировании1 как существующих, так и новых . конструкций полевых .транзисторов' дня понимания физики электронных процессов и оптимизации полупроводниковых структур;
для сокращения временя проведения научно-исследовательских ра- ; бот и снижения материальных и энергетических затрат при отработке технологических режимовизготовления: полупроводниковых структур сверхвысокоч^стотных приборов;'.
для прогнозирования предельных характеристик и режимов полупроводниковых приборов до. их изготовления;
' в -'чебных целях.
В частности ряд результатов работы использован; в тактических целях. Так результаты моделирования полевых .транзисторов с. затвором Шоттки были использованы на предприятиях ".Сатурн", и Салют" МЭД СССР, на предприятии ГШИРС МРП СССР, программа моделирования инжекционно-пролетного диода внедрена в Нижегородском исследовательском физико-техническом институте и в Нижегородском университете в качестве іебной, зарегистрирована в ОФАП и ЦИФГосФАП,
7.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. При уменьшении д"ины пролетной области и повышении час
тоты происходит уменьшение отрицательной диЭДвренциальной прово
димости инжекционно-пролетного дкода вследствие влияния всплеска
скорости носителей. Предельные частоты и КОД генерации мохно по
высить, используя структуры с двухслойной областью дрейфа.
2. Учет особенностей взаимодействия электронов с кристалли
ческой решеткой полупроводникового к тариала (анизотропии, непа-
раболичности долин и произвольных скоростей рассеяния носителей
заряда) с помощью построенной двумерной численной теадературной
модели полевого .транзистора с затвором Шоттки позволяет прогно
зировать статические и динамичвскиь характеристики прибора на
этапа проектирования, совпадающие с экспериментальными.
3. Двухчастотный метод расчета параметров эквивалентной
схемы активной области полевою транзистора, основанный на дву
мерное модели, позволяет количественно учесть влияние статичос-
кого домена на высокоч»стотны8 характеристики прибора.
;.4. деленный алгоритм моделирования-распределенных тепловых
флуктуации в двумерной полупроводниковой, структуре, предложенный
в работе, позволяет оценить вклад тепловых иумов в шумовую тем-
'"; пературу полевого транзистора с затвором Шоттки, согласующийся с
экгтеримбнтом.
5. Область структуры полевого транзистора, дащая наибольший, вклад в тепловой шум прибора не совпадает с областью максимального разогрева, электронов в канале,
Основные результаты диссертации докладывались, на следуших конференциях, семинарах и совещаниях:
'- Всесоюзных конференциях па электронике СВЧ (Киев, 1979, Ордко-никидзе,-1988);
- Всесоюзных конференциях по.интегральной электронике СВЧ (Ле
нинград, 1984, Красноярск, 1988);
- Всесоюзных конференциях по мявдоэлектронике (Казань. 1980,
Минск, 1985, Тбилиси, 1987);
- Всесоюзных совещаниях "Математическое моделирование физических
процессов в полупроводниках я полупроводниковых структурах"
(Паланга, 1987,1989, Ярославль, 1983,1990);
8.
Всесоюзной конференции "Физические основы твердотельной электроники" (Ленинград. 1989);
Всесоюзной конференции по твердотельно? электронике СМ (Киев, 1990);
Международном семинаре "Моделировании пр.Х^хэв и технология в микроэлектронике" (Новосибирск, 1990);
Всесоюзная конференция по машинному и математическому шде.л-ровашю (Воронеи, 1991);
Научно-технической конференции по радиоприемным устройствам, бортовых РЛС СВЧ-диапазона (С Петербург, 1991);
Семинаре чл.-корр. РАН В.И.Рыжия "Математическое моделирование физических процессов з полупроводниковых микроструктурах";
- Итоговых конференциях Нижегородского госуниверситета.
Основою результаты опубликованы в 21 печатной работе и 3 автор
ских свидетельствах' [63, 64, 1 ;б, 172,"«74- :t34-t<&. :200-201..
213-215, 216, 217, 222, 223, 225-228).
Структура_и_объем_работа. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 287 страниц, включая 4 таблицы, 78 рисунков и список литература из 227 наименования.
