Введение к работе
Актуальность темы. Общепринято, что фантастические темпы развития и впечатляющие результаты микроэлектроники лежат в основе современной научно-технической революции и стремительного роста информатизации не только производственных, но и социальных аспектов развития общества. Основой микроэлектроники являются, так называемые, интегральные технологии, обеспечивающие создание интегральных схем (ИС), характеризующихся огромным (106-109) числом активных электрических элементов — транзисторов в одном кристалле сравнительно малой (порядка 1 см2) площади. При этом следует особо отметить успехи последнего десятилетия, в ходе которого минимальный латеральный размер основного активного элемента, транзистора, сверхбольших интегральных схем (СБИС) сократился практически на порядок (от 0.5мкм до 50нм). Применительно к области профессиональной деятельности диссертанта — моделированию транзисторов и изучению особенностей высокополевого дрейфа носителей - можно сказать, что этот феноменальный "скачок" окончательно скомпрометировал, так называемую, дрейфово-диффузионную модель электронного транспорта (ДДМ), возможность удовлетворительного использования которой для расчета и предсказания характеристик современных глубоко-субмикронных транзисторов уже и не обсуждается.
Дело в том, что, как известно, электронная подвижность существенно зависит от средней энергии хаотического движения носителей тока и, как правило, уменьшается с ее ростом. Дрейфово-диффузионная модель, вообще говоря, учитывает эту зависимость, однако, только лишь в предположении локальной связи температуры электронного газа и электрического поля. Именно это предположение и теряет свою адекватность применительно к глубоко субмикронным структурам. Поэтому изучение закономерностей дрейфово-диффузионных процессов, обусловленных пространственно-временной нелокальностью процессов электроразогрева и охлаждения носителей тока требует существенного усложнения теоретического описания и его программно-математической реализации. Говоря более конкретно, речь идет об адекватном учете дивиргентых составляющих уравнения энергетического баланса с учетом обоих компонент потока тепловой энергии электронов (конвективной и "теплопроводной"). С одной стороны, это существенно (на 2) увеличивает порядок системы соответствующих дифференциальных уравнений, что требует модификации алгоритмов численного моделирования, "настройки" используемых моделей подвижности и релаксации энергии, сглаживания формирующих структуру пространствен-
мых распределений и т.п. С другой стороны, разрабатываемое усложненное теоретическое описание "генерирует" ряд интереснейших "тонких" особенностей результирующих распределений потенциалов, скоростей и электронной температуры в субмикронных структурах, существенно влияющих на результирующие приборные характеристики: быстродействие, управляющую способность, мощность, параметры долговременной стабильности и т.п.
Следует сказать, что к настоящему времени существует достаточное число транспортных моделей, основанных на использовании уравнения энергетического баланса, различающихся между собой степенью учета особенностей энергетического спектра носителей и механизмов рассеяния. Полученные с их помощью результаты относятся, как правило, к дрейфу в простейшей квазиприборной структуре n*- п -п+ и достаточно фрагментарны, что не позволяет сделать обоснованный выбор в пользу той либо иной из них. С другой стороны, авторы имеющихся к настоящему времени сложных программных комплексов двумерного моделирования транзисторов декларируют, что в их основе также лежит дрейфовая модель с уравнением энергетического баланса. Однако, получающиеся с их помощью результирующие приборные характеристики удивительно похожи на дрейфово-диффузинпые, что на наш взгляд свидетельствует о существенных упрощениях квазигидродинамических уравнений, потребовавшихся авторам в процессе программной реализации двумерных моделей.
Поэтому, выбрав в качестве основы исследований классическую формулировку уравнения энергетического баланса Страттона, целью настоящей работы мы поставили: разработку программ моделирования электронных процессов и электрических характеристик достаточно сложных приборных конфигураций (многослойных гомо- и гетеро -структур, субмикронного транзистора); выявление особенностей электронных процессов, обусловленных нелокальностью электроразогрева; предсказание новых электрофизических эффектов и условий их возникновения.
В этой связи были поставлены и решены следующие задачи диссертационной работы:
-
Построены эффективные алгоритмы вычислительного процесса расчета электрических характеристик полупроводниковых структур с резкими пространственными неоднородностями уровня легирования и положения краев разрешенных зон.
-
Развита новая эффективная методика численного моделирования электронных процессов в сложных полупроводниковых структурах и
расчет их электрических характеристик на основе уравнения энергетического баланса.
-
Построено новое квазиодномерное представление структуры глубо-косубмикронных МОП-транзисторов, отражающее: LDD-специфику сток-истоковых областей; латеральную неоднородность концентрации примеси в подзатворной области; обеднение поликремневого затвора.
-
Развита новая модель ускоренного расчета характеристик глубоко-субмикронных МОП-транзисторов на основе квазигидродинамической модификации приближения плавного канала.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
-
Детально исследованы особенности эффекта превышения скорости дрейфа над скоростью насыщения в сложных селективно легированных наноразмерных полупроводниковых структурах.
-
Продемонстрировано специфическое отставание максимума электронной температуры не только от максимума электрического поля, но и от максимума плотности потока тепловой энергии носителей.
-
Выявлена существенная нелинейность электропроводности сильно легированных многослойных гетероструктур и установлен характер изменений соответствующего пика дифференциальной проводимости в зависимости от структурных параметров.
-
Предсказан эффект отрицательной дифференциальной проводимости сильнолегированных многослойных гетероструктур и проведен физический анализ природы его возникновения.
-
Предложено убедительное квазигидродинамическое обоснование возможности существенного повышения крутизны и управляющей способности полевых транзисторов за счет секционирования канала низко-омными включениями.
-
Показано, что согласно численным экспериментам, проведенным на основе развитой квазигидродинамической модели транзистора, секционирование канала полевых транзисторов промежуточными низкоомны-ми квазистоковыми наноразмерными включениями должно обеспечить существенное повышение крутизны, управляющей способности, быстродействия и долговременной стабильности приборных характеристик.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные в ней новые закономерности электропроводности наноразмерных полупроводниковых структур сложных конфигураций, в том числе и полевых транзисторов важны при решении практических задач конструирования, моделирования, надежности и повышения выхода годных СБИС и СВЧ-транзисторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты численного моделирования дрейфового процесса в на-норазмерных n + — п - п+ структурах показывают, что существенная часть тепловой энергии, приобретаемой электронами в высокоомном пролетном п-слое рассеивается в решетку в низкоомной контактной п +-области. Этот эффект снижает темп нарастания электронной температуры в пролетной области с ростом напряжения, повышает эффективную подвижность и препятствует насыщению дрейфовой скорости. При этом максимум электронной температуры отстает не только от максимума электрического поля, но и от положения максимума плотности потока электронной температуры.
-
Показано, что секционирование высокоомной пролетной п*-области дополнительными низкоомными п""-включениями наноразмер-ной протяженности существенно снижает температуру электронного газа, повышает эффективную подвижность, а, следовательно, и высокополевую электропроводность за счет соответствующего повышения дрейфовой скорости, обусловленного дополнительным охлаждением электронного газа в низкоомных п+—промежуточных областях.
-
Показано, что вольтамперные характеристики наноразмерных легированных многослойных гетероструктур имеют резкий переход от начального выскоомного участка в область сравнительно высокой электропроводности. При этом положение и величина пика дифференциальной проводимости определяется высотой и крутизной гетеробарьеров, равно как, и уровнем легирования гетерослоев. Высокая нелинейность расчетных характеристик физически обусловлена электростатическим снижением высоты гетеробарьеров и нарастанием электронной температуры в окрестности гетерограниц.
-
Результаты проведенной серии численных экспериментов по электропроводности легированных сверхрешеток предсказывают резкое возрастание пика дифференциальной проводимости с уменьшением уровня легирования и последующее появление бистабильной петли, соединяющей высокоомный и низкоомный участки вольтамперной характеристики. Тем самым, использование транспортной модели на основе энергетического баланса предсказывает новый оригинальный тер-моинжекционный эффект отрицательного сопротивления в многослойных гетероструктурах и достаточно подробно исследовать его физическую природу.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на конференциях: VI Российская конференция по физике полупроводников; "Nanostructures: Physics and Technology"-13(CaHKT-Петербург, 2005); Международная конференция по микро- и нано- элек-
тронике-2005(3венигород, Липки); "Nanostructures: Physics and Technology"-14(CaHKT-rieTep6ypr, 2006).
Публикации. По материалам работы опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех основных глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы 120 страниц машинописного текста, 32 рисунка. Список литературы содержит 35 названий.
