單軸應變硅能帶結(jié)構(gòu)及載流子遷移率研究.pdf

1、應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/高性能半導體器件與集成電路的研究發(fā)展重點。在硅中引入應變來增強載流子遷移率的方式有襯底致雙軸應變和工藝致單軸應變。與雙軸應變硅相比，單軸應變硅以其在低應力和高垂直電場下具有較大的空穴遷移率和較小的閾值電壓漂移，且工藝比雙軸應變?nèi)菀讓崿F(xiàn)等優(yōu)點,而備受關注。單軸應變硅技術(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、強度）單軸應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用價值。
　　本文對單軸應力作用下硅材料的能帶結(jié)構(gòu)及載流子遷移率進行了研究，并將對單軸應變硅的研究擴展到單軸應變鍺。主要研究工作和成果如下：
　　(1).基于薛定諤方程，考慮應變產(chǎn)生的形變勢場，以布里淵區(qū)邊界的X點為參考點，采用簡并微擾法建立了適用于任意單軸張/壓應力作用時硅晶體的導帶E～k關系模型。以實踐中常用的[

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

4、究奠定基礎。
　　(2).通過形變勢理論引入應力對價帶結(jié)構(gòu)的作用，采用六帶k·p簡并微擾法，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/壓應力作用時硅晶體的價帶E～k關系模型。以常用的[100]、[110]、[111]方向單軸應力為例，利用所建價帶E～k關系模型，研究了單軸應變硅價帶結(jié)構(gòu)與應力及晶向的關系，獲得了重空穴帶、輕空穴帶及自旋-軌道耦合帶在Γ點處的能級以及空穴有效質(zhì)量。本文獲得的未受應力作用時重、輕空穴各向同性有

5、效質(zhì)量與目前見諸文獻報道的結(jié)果一致。量化數(shù)據(jù)可為單軸應變硅空穴遷移率的研究奠定基礎。
　　(3).基于單軸應變硅導帶/價帶結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，并將導帶、價帶能級分裂考慮進來，建立了單軸應變硅電子/空穴態(tài)密度有效質(zhì)量、電導率有效質(zhì)量模型。在此基礎上，考慮包括電離雜質(zhì)散射、聲學聲子散射、電子導帶能谷間散射/空穴非極性光學聲子散射在內(nèi)的散射機制，研究分析了單軸應變硅的電子/空穴散射幾率，最終建立了單軸應變硅電子/空穴遷移率與應力及晶向的關系，

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)論可為單軸應變硅器件的研究、設計提供參考。
　　(4).用形變勢理論研究了不同單軸壓/張應力對鍺導帶各能谷（Γ能谷、Δ能谷及L能谷）能級的影響,采用包含自旋-軌道互作用及應力在內(nèi)的六帶k·p微擾法建立了單軸壓/張應力作用下鍺的價帶結(jié)構(gòu)模型,分析了鍺價帶帶邊能級隨應力的變化情況,獲得了鍺導