单轴应变硅能带结构及载流子迁移率研究
应变硅技术在纳米CMOS中的应用
应变硅技术在纳米CMOS中的应用刘国柱;姚飞;王树杰;林丽【摘要】应变硅技术具有迁移率高、能带结构可调的优点，且与传统的体硅工艺相兼容，在CMOS工艺中得到广泛地应用，尤其是MOS件的尺寸进入纳米节点。
文章综述了应变硅技术对载流子迁移率影响的机理，并从全局应变和局部应变两个方面介绍了应变硅在CMOS器件中的应用。
同时，将多种应变硅技术整合在一起提升MOS器件的性能是未来发展的趋势。
%Strained silicon technology, which provided with merits of high mobility, modifiable band-gap, compatible with conventional sub-silicon technics, was widely used in CMOS technics, and especially in the nano-meter node CMOS devices. In this text, the principle of carrier mobility ,which influenced by strain,was Simply summarized, and the application of Global strain and Local strain in the nano CMOS technics was introduced. Meanwhile,multi-strain technics would become the trend of improvement of the nano CMOS devices＇performance in the future.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2012(012)001【总页数】6页(P31-36)【关键词】应变硅;CMOS;全局应变;局部应变【作者】刘国柱;姚飞;王树杰;林丽【作者单位】中国电子科技集团公司第58研究所,江苏无锡214035;中国电子科技集团公司第58研究所,江苏无锡214035;南通航运职业技术学院船舶与海洋工程系,江苏南通226026;中国电子科技集团公司第58研究所,江苏无锡214035【正文语种】中文【中图分类】TP702随着微纳技术的发展，CMOS工艺已经进入了（超）深亚微米阶段，晶体管的特征尺寸已达纳米级。
应变硅pMOS反型层中空穴迁移率k·p及蒙特卡罗模拟研究
运模 型 分析 了单 轴 和双轴 应力 情况 下空 穴迁 移率 的 变 化 ． 而 ， 目前 为 止 ， 然 缺少 一 个 全 面 的物 理 然 到 仍 模 型来 描 述单 轴 和 双 轴 应 力 情 况 下 空 穴 的输 运 问
Ｐ Ｃ： ７ ２ Ｆ； ７ １ ０ ＡＣ ２０ １５
中 图分 类 号 ：Ｔ ８ Ｎ３ ６
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：０ ５ －１ ７２ ０ ）２２ ４ －６ ２３４ ７ （０ ６ １ －１４０
ｉ 引言
信息技 术 的不 断发展 对微 电子 技术 以及集 成 电 路产 业提 出 了更 高 的 要求 ． 征尺 寸 的不 断缩 小 一 特 直是 ＣＭＯ Ｓ器 件性 能提 高 的主要 途径 ． 是 随 着器 但 件 尺寸进 入纳米 量 级 ， 器件 尺寸 的进 一 步 缩小 将 面 临着许 多挑战 ． 此 ， 现有 器 件 尺 寸条 件 下 ， 索 因 在 探
应力 引起 的空穴 能 带 结构 的变 化 ， 分 析 了 迁 移 率 并 提 高的原 因 ． ｎ 人【 则 使 用 ｋ － 的 量 子输 Ｗａ ｇ等 － ］ Ｐ
新 型器件 结构 和 新 材 料 对 于 提 高 ＣＭＯＳ器件 的性 能 是十分 重要 的 ． 机械 应力对 硅材 料特性 的影 响 已经被 研究 了五 十多年 ， 近年来 ， 变 Ｓ 沟 道 技 术被 应 用 到集 成 电 应 ｉ
失 配导致 在 ｓ 层 中产生 双轴 张应 力 ， 得 载流 子 的 ｉ 使 迁移 率得 到提 高 ． 双轴 应力 情 况下 ｓ 反 型层 中载流 ｉ 子输 运 的 理论 模 型 研 究 ］ 示 ： 力诱 导 的能 带 显 应 简并 度 的解 除使 得能 带分裂 ， 流子 重新 分布 ， 载 导致 输运 有效 质 量减 小 ， 而 迁 移 率 得 以提 高 ． 此 之 因 除 外， 迁移率 提高还 得 益 于 能带 分 裂 抑 制 了能 谷 问或 带 问 的散 射 ． 而 ， 轴 应 力 使 得 ｐ 然 双 ＭＯＳ器件 性 能 的提高仍 然远低 于 ｎ ＭＯＳ器 件 性 能 的提 高 ． 这种 性 能 提高上 的差 异 以及 双 轴 应 力 器 件 结 构 需 要 采 用 ＳＧｅ衬底 的缺 陷使 得 双 轴应 力工 艺 在 ＣＭ０Ｓ集 成 ｉ 电路 中的应用受 到 限制 ．
光电功能材料的能级调控与载流子迁移率提升技术
光电功能材料的能级调控与载流子迁移率提升技术光电功能材料是一类具有光学与电学特性的材料，广泛应用于光电器件、能源转换、光储存等领域。
在这些应用中，能级调控与载流子迁移率是影响材料性能的重要因素。
本文将探讨光电功能材料的能级调控与载流子迁移率提升技术。
一、能级调控技术能级调控是通过调整材料的电子结构，改变其能级位置和能带宽度，从而影响光电性能的方法。
常见的能级调控技术包括杂化化学修饰、掺杂、合金化等。
1. 杂化化学修饰杂化化学修饰是将光电功能材料与其他物质相结合，形成新的能级分布，以调整材料的能级位置和能带结构。
这种方法可以通过调节杂化材料的组成、结构和相互作用来实现。
例如，将有机分子修饰到半导体表面，形成有机-无机杂化界面，可以调控半导体的能级位置，提高载流子的分离效率。
2. 掺杂技术掺杂是指向材料中引入其他元素或杂质，改变材料的能带结构和电子结构。
掺杂可以在半导体材料中引入自由载流子或电荷捕获中心，从而增加材料的导电性或提高光吸收能力。
常见的掺杂元素包括硼、磷、硅等。
通过合理选择掺杂元素和浓度，可以有效地调控材料的能级结构和光电性能。
3. 合金化技术合金化是将两种或多种不同的材料混合在一起，形成新的复合材料。
这种方法可以调节材料的能级位置和能带结构，提高载流子的迁移率和光电转化效率。
例如，将微米级二氧化钛与纳米级金属氧化物合成合金材料，可以在半导体能带结构中形成强烈的电子耦合和能级调制效应，提高载流子的迁移率和高效率的光照转化。
二、载流子迁移率提升技术载流子迁移率是指载流子在材料中传输的速率。
提升载流子迁移率可以提高材料的导电性能，增加光电转换效率。
下面介绍几种常用的载流子迁移率提升技术。
1. 掺杂技术通过对光电功能材料进行适当的掺杂，可以改变材料的导电性。
掺杂可以引入自由载流子或改变材料的能级结构，从而提高载流子的迁移率。
例如，在半导体材料中引入少量的杂质，形成杂质能级，可以提高其导电性能。
应变硅技术(原理部分)
英特尔Process Architecture and Integration经理Mark
Bohr曾经非常形象地描述：“只需将硅原子拉长1%就可以
将MOS晶体管电流速度提高10%~20%，而应变硅的生产
成本只增加2%”。
据报道，利用现有硅生产线制造出的应变硅 MOSFET与同尺寸体Si MOSFET相比，功耗减小三分之 一，速度提高30%，特征频率提高50%以上，功耗延迟 积仅为后者的1/5到1/6，器件的封装密度提高50%。
A
mc 0.26m0
12
对于生长在（001）晶面的应变硅MOSFET来说， 由于张应力的作用，原有的六重简并能谷（Δ6）的 简并被解除，分为两组：两个能量降低的二重简并 能谷（Δ2）沿与沟道垂直的轴向；四个能量升高的 四重简并能谷（Δ4），沿与沟道平行的轴向。低能 谷与高能谷之间能量差的经验值为0.6xeV（x为锗含 量）。
用于P型MOSFET。
A
9
异质结能带结构
第二类能带调整：体Si0.7Ge 0.3 (弛豫)上的应变Si
应变Si与弛豫SiGe层相比，既有大的导带突变量，又有大
的价带突变量，电子势阱和空穴势阱处在不同的层中，导
带突变量处于应变硅中，价带突变量集中于锗硅层，形成
Ⅱ型量子阱。Ⅱ型量子阱由于导带和价带的能带的突变量
都比较大，电子和空穴的迁移率都有所增强，因而应变
Si/SiGe在CMOS工艺中既可做AN型也可做P型器件。
10
应变硅MOSFET迁移率的增强机理
迁移率增强的物理解释：
电子迁移率：
n
q n
m
n
空穴迁移率： p
q p
m
p
其中τ是载流子运动的平均自由时间，它是散射几率p的倒 数，m*为运动方向上的有效质量。应力增强载流子迁移 率主要通过两个途径：减小有效质量，降低散射几率。
半导体材料光电特性实验分析
半导体材料光电特性实验分析随着科学技术的发展，半导体材料在电子行业中发挥着重要的作用。
半导体材料的光电特性（具有光电效应的材料特性）是其性能和应用的关键因素之一。
本文将通过对半导体材料光电特性实验分析，探讨半导体材料在光电器件中的应用和研究进展。
首先，光电效应是半导体材料的关键特性之一。
在半导体光电器件中，光电效应是将光能转化为电能的基础。
常见的光电效应有光电导、内光电效应等。
在光电导实验中，我们可以通过将光线照射在半导体材料上，观察电流的变化来研究半导体材料的光电导特性。
内光电效应则利用光照射在半导体材料内部，产生光生载流子，从而改变材料的电导率。
其次，通过实验分析半导体材料的光电特性，我们能够了解其在光电器件中的应用。
例如，半导体光电传感器是一种应用了半导体材料光电特性的设备，能够将光信号转化为电信号。
这种传感器常用于光电测量、光通信等领域。
另外，太阳能电池也是一种光电器件，通过利用半导体材料的光电特性，将太阳光转化为电能，实现可再生能源的利用。
实验分析半导体材料的光电特性，有助于深入了解这些光电器件的工作原理和性能优化。
在实验分析半导体材料的光电特性时，我们可以采用一系列的实验方法和工具。
例如，在光电导实验中，我们可以使用光源和光探测器，通过控制光源的强度和波长，以及测量光探测器的输出电流来得到半导体材料的光电导特性。
通过改变光源的强度，我们可以研究光电流与光照强度之间的关系；通过改变光源的波长，我们可以研究光电流与光照波长之间的关系。
类似地，在研究半导体材料的内光电效应时，我们可以通过改变光照射强度和波长，以及测量电导率的变化来分析实验结果。
值得注意的是，半导体材料的光电特性受多种因素的影响。
首先是半导体材料本身的特性，如能带结构、载流子迁移率等。
不同的半导体材料具有不同的能带结构和载流子迁移率，因此其光电特性也会有所不同。
此外，材料的掺杂浓度和杂质含量也会影响光电特性。
实验分析时，我们可以对不同类型和掺杂浓度的半导体材料进行比较，研究其光电特性的差异和变化规律。
wse2的载流子迁移率
载流子迁移率概念及重要性
载流子迁移率是指载流子（电子或空穴）在单 位电场作用下的平均漂移速度，反映了载流子 在半导体中的传输能力。
高载流子迁移率意味着更快的响应速度和更高 的器件性能。
对于WSe2等二维材料而言，由于其独特的结 构和性质，载流子迁移率的研究对于理解其电 学行为和优化器件设计具有重要意义。
响载流子传输特性。
02
光照强度与波长
光照可以激发WSe2中的电子-空穴对，增加载流子浓度，从而提高迁移
率。不同波长和强度的光照对WSe2的载流子激发和传输过程具有不同
的影响。
03
光照与温度的联合作用
在实际应用中，WSe2往往同时受到温度和光照的影响。因此，需要综
合考虑温度和光照对WSe2载流子迁移率的联合作用，以更准确地预测
面临挑战及解决策略探讨
01
材料制备挑战
02
器件性能优化
WSe2的制备过程中存在成本高、产 量低、质量不稳定等问题，需要开发 新的制备方法和优化工艺参数。
WSe2光电器件的性能受到材料质量 、器件结构、工作环境等多种因素的 影响，需要通过优化器件结构和改进 制备工艺来提高性能。
03
应用领域拓展
目前WSe2在光电器件中的应用主要 集中在几个特定领域，需要拓展其应 用领域，发掘更多的潜在应用价值。
行业发展趋势预测
材料制备技术不断创新
随着材料科学的不断发展，WSe2的制备技术将不断创新和优化 ，提高材料的质量和产量，降低成本。
器件性能不断提升
随着器件制备技术的不断进步和应用需求的不断提高，WSe2光电 器件的性能将不断提升，满足更广泛的应用需求。
应用领域不断拓展
随着WSe2材料和器件性能的不断提升，其在光电器件中的应用领 域将不断拓展，为相关行业带来更多的创新和发展机遇。
第一性原理研究应变Si111Si1xGx能带结构
9期
宋建军等 : 第一性原理研究应变 SiΠ(111) Si12x Ge x 能带结构
5921
变了空穴有效质量的大小.
图 8 应变 SiΠ(111) Si12x Ge x 在Γ点处价带带边和亚带边之间劈 裂能与 Ge 组分的拟合函数关系
图 10 应变 SiΠ(111) Si12x Ge x (0 ≤x ≤014) 导带底能带图 (箭头指 向从 0 到 014 ,步长 011)
关键词 : 应变硅 , 能带结构 , 第一性原理 PACC : 7360F , 7125C , 7115M
11 引 言
利用应变 Si 提高载流子迁移率是当前 Si CMOS 技术发展的重点 ,已经成为研究设计高速Π高性能小 尺寸 CMOS 器件与电路的首选方案[1 —3] . 而其能带 结构是深入研究应变 Si 材料基本属性 ,设计高速Π 高性能 CMOS 器件与电路的重要理论依据 , 意义 重大[4] .
建立了相应的能带结构模型 ,其结果与 KP 理论计 算结果一致. 并获得了有实用价值的相关结论 ,可 为张应变 Si CMOS 器件与电路的研究与设计提供理 论参考. 应变 Si 的能带结构与弛豫 Si12x Ge x 的 Ge 组分相关 ,因此只要将其转换成相应的应变强度 ,文 中所建立的模型即可适用于其他应力引入方法产生 的应变.
图 9 应变 SiΠ(111) Si12x Ge x 禁带宽度随 Ge 组分的变化关系
比较图. 由图可见 ,导带带边能量极值 k 矢位置和 极值附近可由电子有效质量描述的能带形状在应变 条件下的曲率几乎一致 ;价带极大值附近可由空穴 有效质量描述的能带形状斜率随着 x 有规律地变 化 ,但变化不大. 因此 ,应变几乎没有改变电子有效 质量的大小 ;沿 [ 100 ]方向空穴有效质量随着 Ge 组 分的增加而变小 ,但变化不大. 这主要是由于 Ge 组 分不大时 ,外延层应变较小. 导带底能谷对应 k 矢 的邻域内 ,形变势场可以看作常数 ,不随 k 矢变化. 因此 ,应力作用下 ,能谷附件各点位移是一样的. 此 外 ,导带底的简并是 k 矢的简并 ,不是 k 矢的简并. 因此 ,对于每个 k 矢极值态 ,由于不存在能量很靠 近的其他态 ,所以耦合不显著 ,可以忽略. 这就解释 了导带底能谷附近能带形状在应力作用下能够保持 的物理现象. 相对于导带底的情况 ,虽然在布里渊 区中心附近的形变势场也可以看作不随 k 矢变化 的常量 ,但是价带顶存在的 k 矢简并态之间的耦合 作用显著 ,导致价带顶能带形状发生了变化 ,进而改
双轴应变Si_应变SiGeCMOS关键技术研究
题（中、英文）作者姓指导教师姓名、学科门代号 分类号学号 密级10701 1040421990 TN4公 开西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。
本人签名：日期西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。
学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。
同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。
（保密的论文在解密后遵守此规定）本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。
本人签名：日期导师签名：日期摘要摘要随着CMOS器件的特征尺寸进入纳米级，传统的CMOS越来越难以按照原来速度等比例缩小，因此探索新型器件材料、研究新型器件结构已经成为提高集成电路性能的必然选择。
应变Si/应变SiGe具有载流子迁移率高、带隙可调等优点，而且与目前已经很成熟的Si工艺相兼容，因此是延续摩尔定律最有潜力的新技术。
本文通过理论分析和仿真重点研究双轴应变Si/应变SiGe CMOS关键理论与技术，主要包括双轴应变Si、应变SiGe材料基本物理属性以及双轴应变MOS器件物理模型及其电学特性。
建立双轴应变MOS的阈值电压、I-V特性等关键电学参数模型并研究了双轴应变MOS器件的几何结构和物理参数与阈值电压的理论关系。
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单轴应变硅能带结构及载流子迁移率研究
单轴应变硅能带结构及载流子迁移率研究
引言：
近年来，随着半导体技术的飞速发展，人们对新型材料的研究越来越深入。
其中，单轴应变硅是一种具有潜在应用价值的材料。
通过对其能带结构和载流子迁移率的研究，可以更好地理解其电子输运特性和潜在应用领域。
本文旨在探究单轴应变硅的能带结构及载流子迁移率的研究进展，为其应用提供理论依据。
一、单轴应变硅的能带结构研究
单轴应变硅是通过在硅晶体上施加单向应变来实现的。
应变会改变硅晶体的晶格常数，从而对其能带结构产生影响。
研究发现，单轴应变硅的电子能带结构可以分为传统硅能带结构和新型能带结构两种。
传统硅能带结构：传统硅晶体的能带结构由导带和价带组成，两者之间被禁带所分隔。
而在单轴应变硅中，由于晶格常数的改变，电子能带结构发生畸变。
一般情况下，在应变方向上，价带和导带能带会产生分裂，形成额外的能带。
这样一来，原本禁带的能量范围被进一步分离，产生所谓的“能隙特异性”。
新型能带结构：在应变方向上，除了传统的分裂能带外，单轴应变硅还可能出现新的能带结构。
这些新型能带一般位于传统能带的高频区，具有更高的能量。
研究发现，这些新的能带结构与应变硅的物理性质和电学特性密切相关，可能是实现其特殊性能的关键。
二、单轴应变硅的载流子迁移率研究
载流子迁移率是材料中载流子运动性能的重要指标，对半导体器件的性能起到决定性作用。
研究发现，单轴应变硅的载流子迁移率受到应变和新型能带结构的影响。
应变对载流子迁移率的影响：单轴应变硅晶体在应变方向上会由于晶格剪切而产生应变应力。
应变应力对电子输运提供了额外的能量，促进了载流子的迁移。
通过实验测量，发现在应变硅中，载流子的迁移率较传统硅提高了数倍，这为单轴应变硅在高频电子器件领域的应用提供了潜在的机会。
新型能带结构对载流子迁移率的影响：新型能带结构对载流子迁移率的影响机制较为复杂。
一方面，新型能带的存在可能会引入额外的散射路径，降低载流子迁移率。
另一方面，新型能带提供了更多的载流子散射状态，增加了载流子的有效迁移。
研究表明，新型能带结构对载流子迁移率的影响可能是双重的，需要进一步的实验和理论研究来解释。
结论：
单轴应变硅作为一种新型材料，在能带结构和载流子迁移率方面具有独特的特性。
通过研究其能带结构，我们可以更好地理解其电子输运行为，为其在半导体器件领域的应用提供理论指导。
同时，载流子迁移率研究也揭示了单轴应变硅的优异电学性能，为其在高频电子器件中的应用提供了潜在机会。
尽管目前对单轴应变硅能带结构和载流子迁移率的研究还存在一些争议和未解之谜，但相信随着研究的深入，我们将能够更全面地认识和应用这种材料
总的来说，单轴应变硅作为一种新型材料，在能带结构和载流子迁移率方面具有独特的特性。
通过实验测量和理论研究，我们发现应变硅中的载流子迁移率较传统硅提高了数倍，这为
单轴应变硅在高频电子器件领域的应用提供了潜在的机会。
然而，新型能带结构对载流子迁移率的影响机制较为复杂，需要进一步的实验和理论研究来解释。
尽管目前对单轴应变硅能带结构和载流子迁移率的研究还存在争议和未解之谜，但相信随着研究的深入，我们将能够更全面地认识和应用这种材料。