单轴应变Si NMOSFET热载流子栅电流模型

热载流子效应产生的栅电流是影响器件功耗及可靠性的重要因素之一,本文基于热载流子形成的物理过程,建立了单轴应变硅NMOSFET热载流子栅电流模型,并对热载流子栅电流与应力强度、沟道掺杂浓度、栅源电压、漏源电压等的关系,以及TDDB(经时击穿)寿命与栅源电压的关系进行了分析研究.结果表明,与体硅器件相比,单轴应变硅MOS器件不仅具有较小的热载流子栅电流,而且可靠性也获得提高.同时模型仿真结果与单轴应变硅NMOSFET的实验结果符合较好,验证了该模型的可行性.     

单轴应变Si导带色散关系解析模型

本文基于k·p 理论框架, 分析了单轴应力对导带能带结构的影响, 详细讨论了剪切应力作用下布里渊区边界X点处Δ₁和Δ_2′ 能带之间的耦合作用及其对导带能谷极小值的改变, 由此进一步给出了能谷极值点附近的色散关系. 最后通过不同能谷之间的坐标变换, 得到了任意单轴应力作用下每个能谷的色散关系. 本文的研究可以为单轴应变Si材料物理性质的理解以及对反型层能带结构、电学特性的相关研究提供一定的理论参考.     

单轴应变SiNMOSFET源漏电流特性模型

本文在建立单轴应变Si NMOSFET迁移率模型和阈值电压模型的基础上, 基于器件不同的工作区域, 从基本的漂移扩散方程出发, 分别建立了单轴应变Si NMOSFET源漏电流模型. 其中将应力的影响显式地体现在迁移率和阈值电压模型中, 使得所建立的模型能直观地反映出源漏电流特性与应力强度的关系. 并且对于亚阈区电流模型, 基于亚阈区反型电荷, 而不是采用常用的有效沟道厚度近似的概念, 从而提高了模型的精度. 同时将所建模型的仿真结果与实验结果进行了比较, 验证了模型的可行性. 该模型已经被嵌入进电路仿真器中, 实现了对单轴应变Si MOSFET 器件和电路的模拟仿真.     

应变Si价带色散关系模型

基于K.P理论框架,通过引入应变哈密顿微扰项,详细推导并建立了应变Si的价带色散关系模型.所得模型适用于任意晶向弛豫Si_1－xGe_x(0≤x≤0.6)衬底上生长的应变Si,并且,通过该模型可以获取任意K矢方向的应变Si价带结构及空穴有效质量,对器件研究设计可提供有价值的参考. 关键词： 应变Si K.P理论 色散关系     

应变Si NMOSFET漏电流解析模型

基于应变Si/SiGe器件结构,本文建立了统一的应变Si NMOSFET漏电流解析模型. 该模型采用平滑函数,实现了应变Si NMOSFET漏电流及其导数,从亚阈值区到强反型区以及从线性区到饱和区的平滑性,解决了模型的连续性问题. 同时考虑了载流子速度饱和效应和沟道长度调制效应的影响,进一步提高了模型精度. 通过将模型的仿真结果和实验结果对比分析,验证了所建模型的有效性. 该模型可为应变Si数字集成电路和模拟集成电路分析、设计提供重要参考. 关键词： 应变Si NMOSFET 漏电流 解析模型     

[110]/(001)单轴应变Si本征载流子浓度模型

本文首先讨论了在沿[110]方向的单轴应力对体Si材料能带结构参数的影响,在此基础上计算出单轴应变Si中平衡载流子浓度,给出了物理意义明确的导带、价带有效态密度的表达式.最后,结合有效态密度和禁带宽度的表达式,建立了[110]/(001)单轴应变Si本征载流子浓度模型.本文的研究方法亦适用于建立(001)面任意应力方向上的应变Si本征载流子浓度模型,并为相关单轴应变Si器件的设计、建模以及仿真提供了一定的理论参考. 关键词： [110]/(001)单轴应变Si 有效态密度 本征载流子浓度     

应变Si电子电导有效质量模型

采用K·P微扰法建立了应变Si导带能谷由纵、横向有效质量表征的E-k关系,并在此基础上,研究分析了(001),(101),(111)晶面应变Si电子的电导有效质量与应力、能谷分裂能及晶向的关系.结果表明,弛豫Si_1-xGe_x材料(001)面生长的应变Si沿[100],[010]晶向的电子电导有效质量和弛豫Si_1-xGe_x材料(101)面生长的应变Si 关键词： 应变Si K·P法 电导有效质量     

单轴应变硅N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管电容特性模型

电容特性模型是单轴应变硅金属氧化物半导体场效应晶体管(Si MOSFET)和电路进行瞬态分析、交流小信号分析、噪声分析等的重要基础. 本文首先建立了单轴应变Si NMOSFET 的16 个微分电容模型, 并将微分电容的仿真结果与实验结果进行了比较, 验证了所建模型的正确性. 同时对其中的关键性栅电容C_gg 与应力强度、偏置电压、沟道长度、栅极掺杂浓度等的关系进行了分析研究. 结果表明, 与体硅器件相比, 应变的引入使得单轴应变Si NMOSFET器件的栅电容增大, 随偏置电压、沟道长度、栅极掺杂浓度的变化趋势保持不变.     

应变Si NMOSFET阈值电压集约物理模型

本文采用渐变沟道近似和准二维分析的方法, 通过求解泊松方程, 建立了应变Si NMOSFET阈值电压集约物理模型. 模型同时研究了短沟道, 窄沟道, 非均匀掺杂, 漏致势垒降低等物理效应对阈值电压的影响. 采用参数提取软件提取了阈值电压相关参数, 通过将模型的计算结果和实验结果进行对比分析, 验证了本文提出的模型的正确性. 该模型为应变Si超大规模集成电路的分析和设计提供了重要的参考. 关键词： 应变Si NMOSFET 阈值电压 集约物理模型     

四方晶系应变Si空穴散射机制

基于Fermi黄金法则及Boltzmann方程碰撞项近似理论, 推导建立了(001)弛豫Si_1-xGe_x衬底外延四方晶系应变Si空穴散射几率与应力及能量的理论关系模型, 包括离化杂质、声学声子、非极性光学声子及总散射概率(能量40 meV时)模型. 结果表明: 当Ge组分(x)低于0.2时, 应变Si/(001)Si_1-xGe_x材料空穴总散射概率随应力显著减小. 之后, 其随应力的变化趋于平缓. 与立方晶系未应变Si材料相比, 四方晶系应变Si材料空穴总散射概率最多可减小66%. 应变Si材料空穴迁移率增强与其散射概率的减小密切相关, 本文所得量化模型可为应变Si空穴迁移率及PMOS器件的研究与设计提供理论参考.     

Electrical field analysis of metal‐surface plasmon resonance using a biaxially strained Si substrate

Electrical field components of metal‐surface plasmon resonance were analyzed in detail. Both longitudinal optical (LO) and transverse optical (TO) phonon modes of a biaxially strained Si layer can be excited by surface‐enhanced Raman spectroscopy (SERS). The z to y polarization ratio in SERS measurements was calculated to be 0.78 using the intensity ratio of TO to LO phonon modes. The electrical field components of SERS were also calculated by the finite‐difference time‐domain method. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

对称三材料双栅应变硅金属氧化物半导体场效应晶体管二维解析模型

提出了对称三材料双栅应变硅金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构,为该器件结构建立了全耗尽条件下的表面势模型、表面场强和阈值电压解析模型,并分析了应变对表面势、表面场强和阈值电压的影响,讨论了三栅长度比率对阈值电压和漏致势垒降低效应的影响,对该结构器件与单材料双栅结构器件的性能进行了对比研究.结果表明,该结构能进一步提高载流子的输运速率,更好地抑制漏致势垒降低效应.适当优化三材料栅的栅长比率,可以增强器件对短沟道效应和漏致势垒降低效应的抑制能力.     

应变Si n型金属氧化物半导体场效应晶体管电荷模型

基于应变Si/SiGe器件结构,本文建立了统一的应变Si NMOSFET电荷模型.该模型采用电荷作为状态变量,解决了电荷守恒问题.同时采用平滑函数,实现了应变Si NMOSFET端口电荷及其电容,从亚阈值区到强反型区以及从线性区到饱和区的平滑性,解决了模型的连续性问题.然后采用模拟硬件描述语言Verilog-A建立了电容模型.通过将模型的仿真结果和实验结果对比分析,验证了所建模型的有效性.该模型可为应变Si集成电路分析、设计提供重要参考.     

Hole effective mass in strained Si (111)

The directional, averaged, and density-of-states effective masses of holes have been calculated for strained Si/(111)Si1-xGex. The results for the directional effective mass show that the effect of strain makes the constant energy surface of heavy holes more obvious warping than that in relaxed Si. The [111] and [110] directional effective masses of heavy holes decrease significantly under strain. It is found that the averaged effective mass of heavy holes decreases with increasing Ge fraction, while that o...     

不同晶系应变Si状态密度研究

应变Si技术是当前微电子领域研究发展重点,态密度是其材料的重要物理参量.本文基于应力相关KP理论,建立了(001),(101)和(111)晶面施加双轴应力形成的四方、单斜及三角晶系应变Si导带、价带态密度模型.结果表明,除单斜和三角晶系导带底态密度外,应力对其余各态密度均有显著影响.本文所得模型数据量化,可为应变Si材料物理的理解及其他物理参数模型的建立奠定重要理论基础. 关键词： 应变Si KP 态密度     

Calculation of band structure in (101)-biaxially strained Si

The structure model used for calculation was defined according to Vegard’s rule and Hooke’s law. Calculations were performed on the electronic structures of (101)-biaxially strained Si on relaxed Si_1−X Ge _X alloy with Ge fraction ranging from X = 0 to 0.4 in steps of 0.1 by CASTEP approach. It was found that [±100] and [00±1] valleys (δ₄) splitting from the [0±10] valley (Δ₂) constitute the conduction band (CB) edge, that valence band (VB) edge degeneracy is partially lifted and that the electron mass is unaltered under strain while the hole mass decreases in the [100] and [010] directions. In addition, the fitted dependences of CB splitting energy, VB splitting energy and indirect bandgap on X are all linear. Supported by the National Pre-research Foundation of China (Grant Nos. 51308040203 and 51408061105DZ0171)     

Two-dimensional models of threshold voltage and subthreshold current for symmetrical double-material double-gate strained Si MOSFETs

The two-dimensional models for symmetrical double-material double-gate(DM-DG) strained Si(s-Si) metal–oxide semiconductor field effect transistors(MOSFETs) are presented. The surface potential and the surface electric field expressions have been obtained by solving Poisson's equation. The models of threshold voltage and subthreshold current are obtained based on the surface potential expression. The surface potential and the surface electric field are compared with those of single-material double-gate(SM-DG) MOSFETs. The effects of different device parameters on the threshold voltage and the subthreshold current are demonstrated. The analytical models give deep insight into the device parameters design. The analytical results obtained from the proposed models show good matching with the simulation results using DESSIS.