热载流子效应[研究知识]
《几类半导体材料热载流子动力学的研究》范文
《几类半导体材料热载流子动力学的研究》篇一一、引言随着信息技术的飞速发展，半导体材料在电子器件、集成电路和光电器件等领域的应用越来越广泛。
热载流子动力学作为半导体材料中重要的物理过程，对于理解器件性能、优化设计以及提高性能具有重要意义。
本文将针对几类半导体材料进行热载流子动力学的研究，旨在深入探讨其物理机制和影响因素。
二、几类半导体材料概述1. 硅基半导体材料：硅基半导体材料是最常用的半导体材料之一，具有稳定的物理性质和成熟的制备工艺。
2. 化合物半导体材料：包括砷化镓、磷化铟等，具有优异的光电性能和高温稳定性。
3. 纳米半导体材料：如纳米晶、量子点等，具有优异的电学和光学性能，在光电器件领域具有广泛应用。
三、热载流子动力学的基本理论热载流子动力学是指半导体中由于外部作用（如光照射、电场等）产生的热载流子的产生、传输和复合等过程。
这些过程对于半导体器件的性能具有重要影响。
四、几类半导体材料中热载流子动力学的研究1. 硅基半导体材料中的热载流子动力学：研究硅基半导体材料中热载流子的产生机制、传输特性和复合过程，以及温度、掺杂浓度等因素对热载流子动力学的影响。
2. 化合物半导体材料中的热载流子动力学：研究化合物半导体材料中热载流子的产生、传输和复合等过程，以及其在高温、高功率条件下的性能表现。
3. 纳米半导体材料中的热载流子动力学：研究纳米半导体材料中热载流子的量子限域效应、表面效应等对热载流子动力学的影响，以及其在光电器件中的应用。
五、研究方法与实验结果1. 研究方法：采用光学实验、电学实验、理论计算等方法，对几类半导体材料中的热载流子动力学进行深入研究。
2. 实验结果：通过实验发现，不同类型半导体材料中的热载流子动力学具有不同的特点。
例如，硅基半导体材料中的热载流子传输速度较快，但复合速率也较快；而化合物半导体材料在高温、高功率条件下具有优异的性能表现。
此外，纳米半导体材料中的热载流子表现出明显的量子限域效应和表面效应。
《几类半导体材料热载流子动力学的研究》范文
《几类半导体材料热载流子动力学的研究》篇一一、引言在当代科技迅猛发展的时代，半导体材料成为了电子信息技术的基石。
其内部载流子的运动和动力学特性直接决定了器件的电学性能和可靠性。
热载流子动力学作为半导体材料研究中的关键领域，对提升半导体器件性能和延长其使用寿命具有重要意义。
本文将探讨几类半导体材料中热载流子动力学的相关研究。
二、热载流子动力学概述热载流子动力学主要研究半导体材料中因温度变化、电场作用等引起的载流子运动规律。
这些载流子主要包括电子和空穴，其运动特性受制于半导体的能带结构、杂质分布和晶格结构等多种因素。
当热载流子获得足够的能量后，可能产生电子-空穴对，对半导体器件的电流传输和光电器件的性能产生影响。
三、几类半导体材料中的热载流子动力学1. 硅基半导体材料硅基半导体材料是目前应用最广泛的半导体材料之一。
其热载流子动力学研究主要集中在高温、高电场等极端条件下的载流子传输和能量损失机制。
研究表明，在硅基半导体中，热载流子的产生和传输对器件的电流传输特性和寿命具有重要影响。
2. 化合物半导体材料化合物半导体材料如砷化镓、氮化镓等，因其独特的能带结构和物理性质，在光电子器件和高温电子器件中具有广泛应用。
其热载流子动力学研究主要关注其在强电场下的载流子激发和能量传递过程，以及在高温环境下的稳定性。
3. 纳米半导体材料纳米半导体材料因其尺寸效应和表面效应，具有独特的电学和光学性质。
其热载流子动力学研究主要涉及纳米尺度下的载流子传输和能量损失机制，以及表面态对热载流子的影响。
这些研究有助于提高纳米半导体器件的性能和稳定性。
四、研究方法与实验技术对于热载流子动力学的研究，主要采用理论分析和实验研究相结合的方法。
理论分析主要依靠量子力学和统计力学等理论框架，建立载流子的运动模型和能量传递模型。
实验研究则主要依靠各种先进的实验技术和设备，如光电子能谱、时间分辨光谱、扫描隧道显微镜等，以观测和分析热载流子的运动特性和能量损失机制。
第一次综述热载流子注入效应对MOS器件性能的影响讲解
综述报告-热载流子效应及其对器件特性的影响 - 1 - 热载流子效应及其对器件特性的影响 组长：尹海滨 09023105 整合资料撰写综述 组员：马祥晖 09023106 查找问题三资料 王小果 09023128 查找问题二资料 李洋 09023318 查找问题一资料 综述报告-热载流子效应及其对器件特性的影响
- 2 - 目录 一 绪论————————————————————————————————3 二 正文主题——————————————————————————————4 1 热载流子与热载流子注入效应—————————————————————4 1.1载流子的概念 1. 2热载流子的概念及产生 1. 3热载流子注入效应 1.4热载流子效应的机理
2 热载流子注入效应对MOS器件性能的影响———————————————6 2.1热载流子对器件寿命的影响 2. 2热载流子效应的失效现象 2.2.1雪崩倍增效应 2.2.2阈值电压漂移 2.2.3 MOSFET性能的退化 2.2.4寄生晶体管效应 2.3热载流子注入对MOS结构C-V和I-V特性的影响 2.3.1热载流子注入对MOS结构C-V特性的影响 2.3.2热载流子注入对MOS结构I-V特性的影响
3 提高抗热载流子效应的措施——————————————————————10 3.1影响热载流子效应的主要因素 3.2提高抗热载流子效应的措施
三 结论————————————————————————————————12 四 主要参考文献————————————————————————————12 综述报告-热载流子效应及其对器件特性的影响
- 3 - 一 绪论
随着科学技术的发展，半导体器件在未来将会有着良好的发展前景，据世界半导体贸易统计歇会（WSTS）日前发布的一份预测报告，世界半导体市场发展未来三年将会保持两位数的增长，这份报告中还表明，全球半导体业之所以能保持高增长，集成电路IC芯片的高需求功不可没，给全球半导体业注入了新的活力。在最近三年里，三网融合的大趋势有力的推动着芯片业的发展。无论是在移动通信业，无线数据传输业，还是PC机芯片都有着良好的发展趋势。而缩小芯片体积和提高芯片性能是阻碍集成电路发展的两大重要因素，为了进一步缩小芯片体积，科学家们正在研制一系列的采用非硅材料制造的芯片，例如砷化镓，氮化镓等；另外芯片器件性能的提高也是重中之重，其中芯片器件可靠性是衡量其性能的重要指标，尤其是在航天，航海等军事方面尤为重要。 本综述报告讨论的就是对器件特性和可靠性的影响因素之一的热载流子效应及其应用。 综述报告-热载流子效应及其对器件特性的影响
热载流子效应应变硅MOSFET双轴应变衬底电流硕士论文
应变硅MOSFET热载流子研究【摘要】随着器件尺寸的不断减小,按比例缩小技术将逐渐接近于其物理极限,并受到经济成本不断增加的制约,所以其实际效益呈持续下降的趋势。
应变硅技术通过在传统的体硅器件中引入应力来改善迁移率对器件性能的制约,而且应变硅MOSFET与体硅工艺兼容,因而得到越来越广泛的应用,延续着摩尔定律的发展,但应变硅MOSFET的可靠性问题也日益重要。
本论文在分析应变硅基本物理特性、应变硅器件类型和应变硅MOSFET基本结构的基础上,重点研究了双轴应变硅MOSFET的热载流子效应。
论文首先分析了热载流子效应产生的机制和热载流子效应引起的失效机理,建立了反映热载流子效应的衬底电流模型,并仿真分析了栅长、栅氧厚度、源漏结深等器件参数对衬底电流的影响。
然后仿真了热载流子效应对应变硅MOSFET转移特性的影响,分析了热载流子效应引起应变硅MOSFET阈值电压和跨导等参数退化的原因。
最后论证了改善应变硅MOSFET热载流子效应的LDD 结构,并对LDD结构抑制热载流子效应的机理进行了分析和研究,同时应用ISE.TCAD10.0软件对LDD结构应变硅MOSFET和常规结构应变硅MOSFET的衬底电流、转移特性、输出特性进行了仿真... 更多还原【Abstract】 As the device continues to decrease,scaling down technology is gradually getting close to its physical limits. Along with the restriction of its increasing economic cost, theactual benefit is a continued downward trend. By inducing the strain to the traditional bulk silicon device, strained silicon technology improve the restriction of the mobility on the device performance. Being compatible with bulk silicon technology, strained silicon MOSFETs have been widely used to extend Moore’s Law. Howe... 更多还原【关键词】热载流子效应；应变硅MOSFET；双轴应变；衬底电流；【Key words】Hot-carrier effect；Strained-Si MOSFET；Biaxial strain；Substrate current；摘要3-4Abstract 4第一章绪论7-111.1 应变硅技术应用7-81.2 应变硅技术发展状况81.3 应变硅MOSFET热载流子效应研究重要性8-91.4 本文主要工作及任务9-11第二章应变硅技术11-192.1 应变硅基本物理特性11-122.2 应变硅器件类型12-132.3 应变硅MOSFET基本结构13-192.3.1 全局应变13-142.3.2 局部应变14-172.3.3 机械力致应变17-19第三章应变硅MOSFET热载流子效应研究19-453.1 热载流子效应19-213.1.1 衬底热载流子效应19-203.1.2 沟道热载流子效应20-213.2 热载流子效应引起的失效机理研究21-243.3 热载流子效应与衬底电流24-383.3.1 衬底电流分析24-283.3.2 衬底电流仿真结果及分析28-383.4 热载流子效应与阈值电压38-423.4.1 阈值电压分析39-413.4.2 阈值电压仿真结果及分析41-423.5 热载流子效应与跨导42-453.5.1 跨导分析42-433.5.2 跨导仿真结果及分析43-45第四章LDD结构应变硅MOSFET热载流子效应研究45-614.1 LDD结构应变硅MOSFET和热载流子效应45-474.1.1 MOSFET电场和热载流子效应45-464.1.2 LDD结构抑制热载流子效应分析46-474.2 LDD结构应变硅MOSFET衬底电流模型研究及仿真结果分析47-544.2.1 LDD结构应变硅MOSFET衬底电流模型47-494.2.2 LDD结构应变硅MOSFET衬底电流仿真与结果分析49-544.3 LDD结构应变硅MOSFET转移特性仿真与结果分析54-564.4 LDD结构应变硅MOSFET输出特性仿真与结果分析56-61 第五章结论与展望61-63致谢63-65参考文献。
hci热载流子效应可靠性测试方法JESD
hci热载流子效应可靠性测试方法JESD 从上面的模型我们可看出当温度增大时， E_{aa}/kT 减小，exp(E_{aa}/{kT}) 减小。
但 I_{sub} 随着温度的升高会减小，而有N 这个指数的影响， I_{sub}^{-N} 增大，且增大程度会高于
exp(E_{aa}/{kT}) 的减小量，总体来看TTF会增大，温度升高，器件的寿命时间延长。
I_{sub}为什么随着温度升高减小呢？
I_{sub}=C_{1}\bullet I_{d} \bullet
exp(-\varphi_{i}/q\lambda E_{m})
C_{1} 是常量， I_{d} 是沟道电流， \varphi_{i} 碰撞离子能，\lambda 电子平均自由程， E_{m} 是沟道电场。
电子的平均自由程是指电子在器件中的平均自由运动的距离。
随着器件环境温度升高，电子的平均自由程减少，器件的衬底电流下降，电子在沟道中碰撞离化的几率降低，热载流子注入效应减弱。
低温下，Si原子的振动变弱，衬底中运动的电子与硅原子间的碰撞减少，电子的自由程增加，从电场中获得的能量增加，容易产生热电子，提高注入氧化层的概率。
另外，也容易发生碰撞产生二次电子，这些二次电子成为热电子，使注入到氧化层中的热电子进一步增多，导致低温下热电子注入效应增强。
热载流子效应
热载流子效应
咱今天来说说热载流子效应是啥玩意儿。
我给你讲个事儿哈。
有一回我家的电脑突然坏了，我就特别纳闷，这好好的咋就坏了呢？后来我找了个懂电脑的朋友来看看。
他打开电脑捣鼓了一会儿，就跟我说：“你这电脑可能是出现热载流子效应了。
”我一听，啥玩意儿？热载流子效应？这是啥东西啊？
朋友就给我解释，说这热载流子效应啊，就好比是一群调皮的小粒子在电脑里面捣乱。
这些小粒子平时都挺乖的，但是当电脑运行得特别快，或者温度特别高的时候，它们就开始不安分了。
它们会到处乱跑，撞来撞去的，然后就可能把电脑里面的零件给弄坏了。
比如说，电脑里面有个芯片，就像一个小工厂。
这些小粒子就是在工厂里干活的工人。
当电脑正常运行的时候，这些工人都很认真地干活，把信息从一个地方传到另一个地方。
但是如果电脑温度太高了，这些工人就会变得很急躁，开始乱干活。
他们可能会把信息传错地方，或者把零件给撞坏了。
所以啊，热载流子效应就是这么个让人头疼的东西。
为了避免它，我们就得让电脑别太热，也别运行得太快。
不然的话，说不定啥时候电脑就又坏了。
嘿嘿。
热载流子效应解决方法
热载流子效应解决方法一。
热载流子效应可是个让电子器件头疼的问题。
简单说，就是在高电场下，载流子获得了过高的能量，导致器件性能变差，甚至损坏。
那咋解决呢？1.1 优化器件结构。
就像盖房子，结构得合理。
比如说，减小沟道长度、降低电场强度，这就好比给载流子修了条宽敞平稳的路，让它们跑得顺顺当当，不那么容易“撒野”。
1.2 采用新材料。
材料是关键啊！找那些能抗热载流子“折腾”的新材料，比如高介电常数的材料，就像给器件穿上了一层坚固的铠甲，能抵挡住热载流子的“攻击”。
二。
除了上面说的，还有别的招儿。
2.1 控制工作条件。
别让器件太累，给它一个合适的工作环境。
控制电压、电流，别让它们超过器件能承受的范围，这叫“量力而行”。
2.2 引入缓冲层。
就像给器件加个“减震垫”，缓冲层能缓解电场的冲击，让热载流子不那么“疯狂”。
2.3 改进制造工艺。
工艺得精细，不能马虎。
提高制造的精度和纯度，减少缺陷，让热载流子没机会“钻空子”。
三。
最后再聊聊其他方面。
3.1 电路设计。
在电路设计上多下功夫，合理布局，分担压力，别让某个器件“独挑大梁”，大家一起干活儿，热载流子的影响就能减小。
3.2 监测与保护机制。
要时刻盯着器件的状态，有个风吹草动就能及时发现。
就像给器件找了个“保镖”，一有危险马上采取保护措施，把损失降到最低。
解决热载流子效应得多措并举，从结构、材料、工作条件、制造工艺、电路设计到监测保护，一个都不能少。
只要咱们用心，就能让电子器件稳稳当当工作，不被热载流子给“坑”了！。
(四)MOSFET及其IC的热载流子失效
MOSFET 及其IC 的失效的失效——————热载流子效应热载流子效应Xie Meng-xian. (电子科大，成都市)对于MOSFET 及其IC ，在高温偏置条件下工作时，有可能发生阈值电压的漂移；但若在没有偏置的情况下再进行烘烤（200～250o C ）几个小时之后，即可部分或者全部恢复原来的性能；不过若再加上电压工作时，性能又会产生变化。
这就是热载流子效应所造成的一种失效现象。
（1）热载流子热载流子及其及其及其效应效应效应：：在小尺寸MOSFET 中，不大的源-漏电压即可在漏极端附近处形成很高的电场；特别是，当MOSFET 工作于电流饱和的放大状态时，沟道在漏极附近处被夹断（耗尽），其中存在强电场；随着源-漏电压的升高、以及沟道长度的缩短，夹断区中的电场更强。
这时，通过夹断区的载流子即将从强电场获得很大的漂移速度和动能，就很容易成为热载流子，同时这些热载流子与价电子碰撞时还可以产生雪崩倍增效应。
由于热载流子具有很大的动能和漂移速度，则在半导体中通过碰撞电离可产生出大量次级的电子-空穴对——次级热载流子；其中的电子（也包括原始电子）将流入漏极而形成输出源-漏电流（I DS ），而产生出的次级空穴将流入衬底而形成衬底电流（I sub ），如图1所示。
通过测量I sub 就可以得知沟道热电子和漏区电场的情况。
若夹断区中的一些热载流子与声子发生碰撞、得到了指向栅氧化层的动量，那么这些热载流子就有可能注入到栅氧化层中；进入到栅氧化层中的一部分热载流子，还有可能被陷于氧化层中的缺陷处，并变成为固定的栅氧化层电荷，从而引起阈值电压漂移和整个电路性能的变化。
对于发生了热载流子注入的器件，若进行烘烤的话，即可提供足够的能量，让那些被氧化层中的陷阱（缺陷）陷住的热载流子释放出来而回到硅中，从而使得器件又恢复到原来无热载流子的状态。
据此也可以判断是否热载流子效应所引起的失效。
（2）热载流子引起MOSFET 性能的退化性能的退化：：热载流子对器件和IC 所造成的影响主要表现在以下两个方面。
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在亚微米和深亚微米器件中，热载流子效应对可 靠性的危害更大。
行业倾力
3
MOS 器件中的热载流子1
沟 道 热 电 子 (Channel Hot Electron )
衬底热电子(SHE) 二次产生热电子( SGHE) 二次产生热电子( SGHE)
行业倾力
6
MOS 器件中的热载流子4
二次产生热电子( SGHE) 由于碰撞电离在漏 极附近发射的光子, 与热空穴
发生二次 碰撞电离, 从而出现 新的电子和空穴, 相 应的衬底电流和漏 极电流。
行业倾力
7
进入二氧化硅的热载流子 1
能量较低的热载流子它们只在氧化层中扩散和 漂移, 其中 部分被氧化层中的陷 阱所俘获.
5
MOS 器件中的热载流子 3
衬底热电子(SHE) NMOS 器件中，当 VDS ＝VBS, VGS VT 时，在衬底与源、 漏、沟道之间有反向电流流 过。衬底中的电子被耗 尽区 的电场拉出并加速向沟道运 动，当电场足够高时，这些 电子就有了足够的能量可以 到达Si-SiO2 界面，并注入到 SiO2中。
行业倾力
17
NMOS结构的改进
行业倾力
பைடு நூலகம்
11
衬底电流模型
行业倾力
12
栅电流模型
NMOS 器件中, 当栅 氧化层较薄时 (小于 150A), 栅电流主要由沟道热电子注入所引 起的。
行业倾力
13
影响热电子效应的参数
1. 沟道长度 L
MOS FET的有效沟道长度l和沟道中的最大场强max。
max ＝(VDS-VDSsat)/l
l ＝0.22tox1/3 rj1/3
微电子器件的可靠性 Microelectronics Reliability
第五章 热载流子效应
行业倾力
1
热载流子效应
当电场超过100 KV/cm时, 载流子从电场中获 得更多的 能量, 载流子的能量和晶格不再保持热平衡, 称这种载 流子为热载流子.
当载流子具有的额外能量超过禁带宽度的3倍时, 载流子 与晶格的碰撞电离成为主要的能量消耗形式之一.
当氧化层中的陷阱密度为 NTT, 俘获截面为 , 陷阱电子平均距离为 X, 俘获形成的栅电 流 为Ig, 可得到其有效陷阱电荷密度为 nT:
nT = NTT[ 1- exp(-(1/q)Ig(t)Dt)] X 陷阱电荷密度与氧化层中的陷阱密度成正比: 有效电荷密度随时间以指数方式增加, 最后趋 于饱和 。
tox 15nm
l ＝1.710－2tox1/8 rj1/3L1/5 tox 15nm, L 0.5m,
式中rj 源、漏的结深，tox 栅氧化层厚度，L是沟道长度。
得到
max = (VDS-VDSsat)/ 0.22tox1/3 rj1/3 tox 15nm max = (VDS-VDSsat)/(1.710－2tox1/8 rj1/3L1/5)
行业倾力
8
进入二氧化硅的热载流子2
能量足够高的热载流子 它们可以在二氧化硅中 产生新的界面态；
界面态的形成： Si-H 被打断后, 形成氢间隙原子 Hi 和硅的悬挂键 Si*( 即界面陷阱) 。
新产生的陷阱密度 Nit，在开始时Nit与时间t 成 正比: 在Nit 大时, 它与时间 t 0.5 成正比。 Nit = C[t(Id/W)exp(-it/gEm)]n =Atn , 一 般 n 在 0.5 -- 0.7 之 间.
行业倾力
4
MOS 器件中的热载流子2
漏极雪崩倍增热载流子 (DAHC) 沟 道 热 电 子 在 漏 区
边缘的强电场中, 发生雪崩倍增,产生新的电子
和空穴。这些新产生的电 子和空穴就是漏区雪崩倍 增热载流 . 在电场的作用下, 电子扫入栅 区和部分进入氧化层, 空穴 扫 入衬底, 形成衬底电流
行业倾力
载流子的能量超过Si-SiO2的 势垒高度(3.5 eV)时,载流子 能直接注入或通过隧道效应 进入SiO2 .影响器件性能，这 效 应称为热载流子效应。
行业倾力
2
热载流子的器件的影响
热载流子对MOS器件和双极型器件的可靠性都有 影响，是属于磨损型失效机理。
在双极型器件中，热载流子造成击穿电压的弛预， P－N极漏电流增加。
行业倾力
9
HC效应对MOSFET电性能的影响
热载 子使陷阱电荷密度随时间而增加,导致开启 电压和的一系列参数发生漂移.
开启电压 VT(t)= A tn 当热电子引起的衬底电流 很大时, 可使源与衬底之间 处于正向偏置状态, 引起正 向注入, 导致闩锁效应
行业倾力
10
衬底电流模型
Isub＝C1Id exp(-Bi/Em) Isub＝a Id (Vds-Vdsat)b (Ai/Bi)
tox 15nm, L 0.5m
行业倾力
14
影响热电子效应的参数
行业倾力
15
改进热电子效应的工艺措施
减少氧化层界面的硅－氢键 由于热电子所产生 的陷阱与氧化层中已有的 硅－氢键的数量有关, 因而要减少栅氧化产生 的硅－氢键的数量
改变栅绝缘层的成份, 提高电子进入绝缘层的功 函数, 如采用氧化层表面氮化, Si-SiO2界面较 难出现陷阱.
减少等离子损伤是改进热载流子效应的必要措施
行业倾力
16
NMOS结构的改进
在NMOSFET 中, 热载流子对器件的损伤, 主要发生在 靠近漏极的沟道区上方的氧化层中。热载流子的数量 直接受控于沟道中最大场强。
为改进器件热载流子效应的可靠性，降低沟道中的最大 场强.，在器件结构上,提出了多种结构：
磷扩散漏区( PD) 结构（用于3m 64KDRAM ） 双扩散漏结构 ( Double Diffused Drain, DDD ) 轻掺杂漏结构 ( Light Doped Drain ,LDD ) 埋沟结构( Buried Channel , BC )
其中a, b为常数.Ai,Bi为碰撞离化系数， a=2.2410-8－0.1010-5 Vdsat b = 6.4 衬底电流的另一种表示形式为：
Isub = 1.2(VDS-Vdsat)ID exp(-1.7106/ymax) =1.2(VDS-VDSsat)IDexp(-3.7106tox1/3rj1/3/(VDS-Vdsatt)