Введение к работе
Актуальность темы. Одной из основных задач современной электроники является улучиекие характеристик полупроводниковых приборов, повышение их . быстродействия и рабочих' частот. Это достигается, в частности, существенным уменьшением' характерных размеров полупроводниковых структур (толзян слоев,' разметов электродов и т.д.)-. Электронный.транспорт в таких-' структурах по сравнению состапионаршм имеет, ряд особенностей. Это связано с тем,, что размеры этих структур становятся сравнимы с/длиной свободного пробега электронов. При эгог.т в субмикронкых структурах начинается нестационарный разогрев электронов, а в нанометроЕЫХ, размеры которкх сравнимы с длиной' волны' де Бройля, начинают проявляться квантовые эффекты. В настоящее время к числу наиболее высокочастотных малоЕумкцях полупроводниковых приборов откосятся прежде всего полевые транзисторы СПТ) на арсенале галлия и других соединения. А3Е5, и.резонансно-туннельные. диоды. Еерзые ухе широко, используется в современной электрсньай.технике, вторые интенсивно изучаются во многих лабораториях мира..Анализ электронных процессов в этих приборах требует с"гзния адекватных физических моделей и математических методов их расчета. Возникающие .здесь - проблемы связаны, в частности, с тем, что физические модели и методы долг-як с одной стороны достаточно полно описывать особенности электронного транспорта, опредедяидие высокочастотные характеристики этих приборов, а с другой должны быть достаточно простыми и удобными для анализа, характеристик реальных приборов и их проектирования. Гак, наиболее строгий метод расчета электронного транспорта в субмикронных структурах - метод Монте-Карло слитом сложен и трудоемок как для выяснения комплексного влияния различных физических эффектов на электронный транспорт и характеристики соответствующих приборов, так и для их расчета и оптимизации. С другой стороны методы анализа, основанные ка дпффугпснно-дрей$~всй (локально-полевой) модели к субмікронним структурам вообще неприменимы. Поэтому требовалось разработать новые физические модели и методы расчета, отвечающие рассматриваемым проблемам.
С развитием современной каноэлектронной технологій, появлением диодов и транзисторов с резонансным туннелированием электронов, работающих в террэгерцсясм диапазоне и униполярных лазеров ИК диапазона, потребовалось развитие методов анализа крантоеомехзни-ческого взаимодействия высокочастотного 'ВЧ) поля с электронами,
-.-.--1.. ', - 4 -
> проходящими через наборы потенциальных .ям и барьеров, (квантово-
> -размарнке-.,структуры). Эти задачи, дредставлящие как. чиото . науч-
v'.';" ный, так и ^значительный практический интерес, требуют иаховдевия
;-.'.-?установившихся решений нестационарного.уравнения; Щредингера. Одна-
Г*vїісо, ;есіли:для исследования электронного транспорта,., в ;сус«шсранных
~f г; структурах уже суще ствовали достаточно точные модели, то для ; рас-
"'.;- сматриваемого.в диссертации поперечного транспорта через ваномет-
''-'; ровыэ структуры в ВЧ полях атот вопрос оставался открытым. Не были
'/" разработаны достаточно простые методы нахождения установившихся
решений, нестационарного уравнения Щредингера,. списыващего взаимо-
- /.действие электронов с ВЧ полем в квантоворазмерннх структурах как
. в малосигнальном приближении, так и тем более при произвольной
'амплитуде ВЧ.поля. Не были /развиты и методы -учета переменного
Пространственного заряда в этих структурах, требующие самосогла-
сованного решения нестационарных уравнений щредингера и Пуассонл.
исследования в етих. направлениях, проводившиеся автором в
'.---':течении ряда, лет,- обобщены в настоящей диссертации.
j Пельтг предмет ; исследований. Цель работы - теоретическое
"' исследование электронного' транспорта в субмикронных структурах
/полевых транзисторов, нанометровых структурах .-.-.'резонансЕо-
> туннельных даодов и униполярных"лазеровИК диапазона, исследование
ВЧ '-характеристик- втих приборов и выработка рекомендаций . по
.'*. совершенствованию их структур.
В работе были поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Разработка математических моделей,.алгоритмов и программ, ;* позволяющих исследовать продольный электронный тргнспорт в субмикронных транзистрных гомо- и гетероструктурах за приемлемые счетные времена на современных ЭВМ.
"2. Разработке математичедсих моделей, позволяпцих исследовать .прохождение, электронов через нанометровые . квантоворазмерные структуры в высокочастотных полях.
3.: Исследование с помощью разработанных моделей физических процессов, протекающих в структурах нолевых транзисторов, резонансно-туннельных диодов и униполярных лазеров, исследование ВЧ "характеристик этих приборов и выработка практических рекомендаций по совершенствованию их структур.
Научная новизна работы состоит:
-
В разработке оригинальных математических'. моделей, гозво- . '.:;', ляющих исследовать электронный траясяорт в транзисторных гомо- и гетероструктурах, рассчитывать высокочастотные и шумовые характеристики ПГШ и ИГ ГСЛ с субмикронным затвором. .
-
8 исследовании электронных процессов в этих транзисторах и анализе их ВЧ характеристик в условиях нелокального разогрева .;_-' электронов при размерах активной области транзисторов.сравнимой с характерной длиной разогрева.
-
В разработке моделей, дозволяющих исследовать прохождение электронов через квантоворазмерныв структуры в высокочастотных: полях, исследовании физических процессов, протекавших в этих : структурах, и их ВЧ характеристик.
При этом получен ряд новых результатов, основные из . которых. сформулированы в виде следущих научных положений, выносимых на ' защиту.
t. диффузия электронов псі затвором транзистора слабо влияет аа величину всплеска дрейфова скорости. электронов, а инерционность изменения импульса ія*ї> становится существенной (изменяет в расчетах характеристики прибора более чем въ 20* ) даже при длинах активной области заметно превышаясей длину релаксации импульса.
-
Для увеличения быстродействия полевых транзисторов следует максимально уменьшить длину нелокального разогрева электронов. Это «жет быть достигнуто как путем создания резких п*~п структур, так і гетероинжектора горячих электронов.
-
Низкий коэффициент шума ПГШ обусловлен не "только высоким соэффициентом корреляции между флуктуацдями тока в канале и навеянного тока затвора, но и, в значительной мере, некоррелировак-юстью локальных флуктуации как по длине, так и по ширине транзистора.
-
Низкочастотные шумы устройств на субмикроЕкых полевых ранзясторах могут быть значительно снижены путем использования яецлального профиля легирования, минимизирующего влияние врвичных низкочастотных флуктуации на входную емкость полевых ранзисторов.
5. Тонкие барьеры и короткие пролетные участки с
- .. локализованным высокочастотным полем могут обладать . отрицательной -динамической проводимостью.
:. 6. При прохождении электронов через квантоворазмерные структуры с сально и немонотонно изменящимся .-. коэффициентом прохождения наиболее вероятно взаимодействие q высокочастотным "; -'. полем с переходом электронов в диапазон энергий, при которых коэффициент прохождения через структуру максимален.
"'.''. 7.' Переменный пространственный заряд ограничивает вероятность резонансного взаимодейсгвия электронов с высокочастотным полем г двухбарьерных структурах при переходах между соседними уровнями и в.десятки раз подавляет вероятность переходов с изменением номера уровня больше чем на единицу.
8. В несимметричных двухбарерных структурах под воздействием высокочастотного поля .коэффициент отражения проходящих через резонансные уровни электронов может уменьшаться до нуля.
, ~ , 9. Разработанные методы . решения . нестационарного уравнения ; Щредингера и самосогласованных нестационарных уравнений Щредингера и Пуассона - эффективны при исследованнии взаимодействия с высокочастотным полем электронов, проходящих через квантоворазмерные .структуры. ,.
Практическая ценность работы состоит в:
1 .Разработке математических моделей и программ, позволяющих рассчитывать высокочастотные и шумовые характеристики субмикрошшх полевых транзисторов за приемлемые счетные времена на современных ЭШ, исследовании характеристик различных типов ПТ и разработке
конкретных практических рекомендаций со совершенствованию - и:-: структур.
2. Разработке простых моделей, позволяющих исследовать прохождение электронов через квантоворазмерные структуры в высокочастотных нолях, и разработке практических рекомендаций по совершенствованию резонансно-туннельных., розснансно-туннельпо пролетных диодов и униголярннх лазеров ИК~ диапазона.
ДцроРация работа. Основные результата работа докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы интегральной электроники СВЧ" (г.Ленинград, 1984г.), Всесоюзном совещании "Фосфид индия в полупроводниковой электронике" (г.Кишинев, 138Ьг.),
зминаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками полупроводниково-диэлектрическими струі:турами" (г.Саратов, 1985
.), IV, V и VI Всесоюзных конференциях 'Флуктуационные явления з
їзических системах" (г.Пущино, 1985г., г.Паланга, 1988 и 1991г.),
, II и III Всесоюзных' совещаниях "Математическое моделирование
їзических процессов в полупроводниках и полупроводниковых прибо-
ах" (г.Паланга, 1987г., 1989г., г.Ярославль, 1988г.), XI Всесоюз-
зй конференции по физике полупроводников (г.Кишинев, 1988г.), VII
;есовзном симпозиуме "Плазма и неустойчивости в полупроводниках"
7.Паланга, 1989г.), XII Всесоюзной научно-технической конференции
) твердотельной электронике СВЧ (ГіКиев, 1990г.), V Всесоюзной
знференция по физическим процессам в полупроводниковых гетеро-груктурах. (г.Калуга, 1990г.), семинаре "Горячие электроны в злупроводниковых структурах с пониженной размерностью", (г.Ззенк-
зрод, 1990г.), V Международной конференции по сверхрешеткам и
ітероструктурам {1991, Berlin, Germany), Международном симпозиуме ) полупроводниковым приборам (1991, Charlottesville, USA), їгдународнкЕх симпозиумах "НАНОСТРУКТУРЫ: физика и технология"
!t.Petersburg, Russia, 1993 и 1994 г.), IX КНГС по малошумящим
:тройствам мм. диала зона длин волн (г.Горький, 1984г.), 1,11 и
1 Отраслевом семинаре по монолитным схемам (г.Фрязино, 1935,
)87, 1989г.), Республиканской конференции "Математическое модели-івание полупроводниковых приборов" (г.Рига, 1988г.).
Публикации. По матерьялам диссертации опубликовано 77 ічатннх работ. Список основных статей приведен в конце реферата.
Личный вклад соискателя. В работах с соавторами соискателю жнадлеяит приоритетная роль в разработке математических моделей. проведении расчетов, а во многих случаях в постановке задачи и лерпретации полученных результатов.
диссертация состоит из ззедекия, секи глав и заключения.
— О