單軸應(yīng)變硅能帶結(jié)構(gòu)及載流子遷移率研究.pdf

1、應(yīng)變硅具有載流子遷移率高、能帶結(jié)構(gòu)可調(diào)，并與硅的微電子技術(shù)相兼容等優(yōu)異特性，已成為高速/高性能半導(dǎo)體器件與集成電路的研究發(fā)展重點(diǎn)。在硅中引入應(yīng)變來(lái)增強(qiáng)載流子遷移率的方式有襯底致雙軸應(yīng)變和工藝致單軸應(yīng)變。與雙軸應(yīng)變硅相比，單軸應(yīng)變硅以其在低應(yīng)力和高垂直電場(chǎng)下具有較大的空穴遷移率和較小的閾值電壓漂移，且工藝比雙軸應(yīng)變?nèi)菀讓?shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),而備受關(guān)注。單軸應(yīng)變硅技術(shù)之所以能夠提高載流子遷移率主要原因在于硅中引入單軸應(yīng)力后致使硅材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了變

2、化。因此,深入研究不同（方向、類型、強(qiáng)度）單軸應(yīng)力作用下硅材料的能帶結(jié)構(gòu)及載流子遷移率，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　本文對(duì)單軸應(yīng)力作用下硅材料的能帶結(jié)構(gòu)及載流子遷移率進(jìn)行了研究，并將對(duì)單軸應(yīng)變硅的研究擴(kuò)展到單軸應(yīng)變鍺。主要研究工作和成果如下：
　　(1).基于薛定諤方程，考慮應(yīng)變產(chǎn)生的形變勢(shì)場(chǎng)，以布里淵區(qū)邊界的X點(diǎn)為參考點(diǎn)，采用簡(jiǎn)并微擾法建立了適用于任意單軸張/壓應(yīng)力作用時(shí)硅晶體的導(dǎo)帶E～k關(guān)系模型。以實(shí)踐中常用的[

3、100]、[110]、[111]方向的單軸應(yīng)力作用在硅晶體上為例，利用所建導(dǎo)帶E～k關(guān)系模型，研究了單軸應(yīng)變硅導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)與應(yīng)力及晶向的關(guān)系、導(dǎo)帶底對(duì)應(yīng)的k矢位置、導(dǎo)帶能谷的簡(jiǎn)并度、導(dǎo)帶能谷底能級(jí)的移動(dòng)、分裂及電子有效質(zhì)量。本文獲得的[100]、[110]方向單軸張應(yīng)力作用下硅導(dǎo)帶能谷能級(jí)分裂能與采用第一性原理計(jì)算的結(jié)果一致，所得的[110]方向單軸應(yīng)力作用下硅電子有效質(zhì)量與采用經(jīng)驗(yàn)贗勢(shì)法所得的結(jié)果相符。量化數(shù)據(jù)可為單軸應(yīng)變硅電子遷移率的研

4、究奠定基礎(chǔ)。
　　(2).通過(guò)形變勢(shì)理論引入應(yīng)力對(duì)價(jià)帶結(jié)構(gòu)的作用，采用六帶k·p簡(jiǎn)并微擾法，建立了包括自旋-軌道耦合作用在內(nèi)的適用于任意單軸張/壓應(yīng)力作用時(shí)硅晶體的價(jià)帶E～k關(guān)系模型。以常用的[100]、[110]、[111]方向單軸應(yīng)力為例，利用所建價(jià)帶E～k關(guān)系模型，研究了單軸應(yīng)變硅價(jià)帶結(jié)構(gòu)與應(yīng)力及晶向的關(guān)系，獲得了重空穴帶、輕空穴帶及自旋-軌道耦合帶在Γ點(diǎn)處的能級(jí)以及空穴有效質(zhì)量。本文獲得的未受應(yīng)力作用時(shí)重、輕空穴各向同性有

5、效質(zhì)量與目前見諸文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果一致。量化數(shù)據(jù)可為單軸應(yīng)變硅空穴遷移率的研究奠定基礎(chǔ)。
　　(3).基于單軸應(yīng)變硅導(dǎo)帶/價(jià)帶結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，并將導(dǎo)帶、價(jià)帶能級(jí)分裂考慮進(jìn)來(lái)，建立了單軸應(yīng)變硅電子/空穴態(tài)密度有效質(zhì)量、電導(dǎo)率有效質(zhì)量模型。在此基礎(chǔ)上，考慮包括電離雜質(zhì)散射、聲學(xué)聲子散射、電子導(dǎo)帶能谷間散射/空穴非極性光學(xué)聲子散射在內(nèi)的散射機(jī)制，研究分析了單軸應(yīng)變硅的電子/空穴散射幾率，最終建立了單軸應(yīng)變硅電子/空穴遷移率與應(yīng)力及晶向的關(guān)系，

6、并分析了電子/空穴遷移率隨雜質(zhì)濃度的變化情況。本文獲得的[100]方向單軸應(yīng)變硅沿各晶向的電子遷移率與采用蒙特卡羅模擬法所得結(jié)果符合的很好。所得結(jié)論可為單軸應(yīng)變硅器件的研究、設(shè)計(jì)提供參考。
　　(4).用形變勢(shì)理論研究了不同單軸壓/張應(yīng)力對(duì)鍺導(dǎo)帶各能谷（Γ能谷、Δ能谷及L能谷）能級(jí)的影響,采用包含自旋-軌道互作用及應(yīng)力在內(nèi)的六帶k·p微擾法建立了單軸壓/張應(yīng)力作用下鍺的價(jià)帶結(jié)構(gòu)模型,分析了鍺價(jià)帶帶邊能級(jí)隨應(yīng)力的變化情況,獲得了鍺導(dǎo)