应力类型与方向和沟道晶向对载流子迁移率的影响

利用Synopsys公司的Sentaurus TCAD软件,针对Si（100）面的〈100〉和〈110〉沟道,系统研究了张/压应力施加在MOS器件不同方向上对载流子迁移率的影响,同时给出了收益表格以供参考。     

应变Si1-xGex (100)电子有效质量研究

基于结合形变势的KP理论框架,对应变Si1-xGex/(100)Si材料电子有效质量（包括导带能谷电子纵、横向有效质量,导带底电子态密度有效质量及电子电导有效质量）进行了系统的研究。结果表明：应变Si1-xGex/(100)Si材料导带能谷电子纵、横向有效质量在应力的作用下没有变化,其导带底电子态密度有效质量在Ge组份较小时随着x的增加而显著减小。此外,其沿[100]方向的电子电导有效质量随应力明显降低。以上结论可为应变Si1-xGex/(100)Si材料电学特性的研究提供重要理论依据。     

[110]/(001)单轴应力对硅价带结构及空穴有效质量的影响

采用K.P微扰法研究了当硅在[110]/(001)方向受一单轴应力作用时, 应力对硅价带结构及有效质量的影响。结果表明：硅在压应力作用下的价带分裂能要大于同样大小的张应力作用下的价带分裂能;在常见的几种晶向中,有效质量沿[110]晶向是最小的。从抑制带间散射,减小有效质量增强迁移率的角度考虑,沿应力方向的[110]晶向最适宜作为载流子的输运方向。所获得的结论可为单轴应变硅器件应力及导电沟道方向的选择设计提供理论参考。     

应力对ZnO/Si异质结构的光致发光的影响

研究了ZnO薄膜中应力对发光的影响.实验样品为ZnO体单晶、在Si基片上直接生长的ZnO薄膜以及通过SiC过渡层在Si基片上生长的ZnO薄膜.测量了这三种样品的X射线衍射图形、喇曼光谱和光致发光光谱.由X射线衍射图形可以看出,由于SiC过渡层缓解了ZnO与Si之间的晶格失配,使得通过SiC过渡层在Si上生长的ZnO薄膜的结晶质量好于直接在Si上生长的ZnO薄膜的质量.进一步通过喇曼谱测量发现,与ZnO体单晶相比,直接在Si上生长的ZnO薄膜的E2(high)峰红移1.9cm-1,根据喇曼谱峰位移与应力的关系可以推出薄膜中存在0.4GPa的张应力;而通过SiC过渡层在Si上生长的ZnO薄膜的E2(high)峰红移0.9cm-1,对应着0.2GPa的张应力.对照X射线衍射图形的结果可以看出,薄膜中张应力的大小与薄膜的结晶质量密切相关,表明张应力来源于外延层和基片间的晶格失配,晶格失配越大,外延层中产生的张应力越大.有无SiC过渡层的两种薄膜样品的PL光谱中都存在紫外和绿光两种谱带,随样品热处理时氧气分压增加,两种样品都出现绿光增强的相似的变化规律,但有SiC过渡层的样品的变化幅度较小.这一结果说明,绿色发光中心与薄膜的质量,也就是与薄膜中存在的张应力大小有关.在以往研究中得出的非故意掺杂ZnO薄膜的绿色发光中心来源于氧反位缺陷(Ozn),文中研究的结果正好可以解释氧反位缺陷形成的原因.由于薄膜中存在张应力,使得样品的能量升高,其结果必然会产生缺陷来释放张应力,以便降低系统能量.而氧离子半径大于锌离子半径,氧替位锌有利于释放张应力,也就是说,在存在张应力的情况下,Ozn的形成能降低.这一结果进一步证明Si上生长的ZnO薄膜中的绿色发光中心与氧反位缺陷有关.     

可变高应力氮化硅薄膜的内应力研究

以互补金属氧化物半导体（CMOS）器件等比例缩小为动力的硅集成电路技术已迈入纳米级尺寸,并将继续保持对摩尔定律的追求,进一步缩小器件尺寸,以满足芯片高度集成化的要求。目前基于CMOS工艺的应变硅技术受到越来越广泛的应用。氮化硅致应变技术是属于应变硅技术中的一种,该技术工艺流程相对简单,成本较低,仅通过在器件上淀积不同应力的氮化硅薄膜就可达到提高载流子迁移率的效果,因此应用越来越普遍。利用等离子体增强化学气象沉积（PECVD）的氮化硅膜,通过适当的工艺条件,可以做到压应力和张应力两种应力的变换,最终可实现在硅片上淀积出应力大于2 GPa的高应力氮化硅膜。     

HgCdTe/CdTe/Si(211)异质结构的应变和应力分布计算

计算了HgCdTe/CdTe/Si(211)异质结构的应变和应力分布,发现对于生长方向为不具有对称特性的[211]晶向,由于弹性模量的各向异性,平行表面的两个晶向方向[1-1-1]和[01-1]的应变和应力分布存在差异,并且二者的曲率半径也具有相应特性。对于Si衬底厚度为500μm,CdTe缓冲层厚度为10μm,HgCdTe层厚度为10μm的异质结构,液氮温度77 K时衬底与外延层的应变均为负值,外延层和衬底的最大应力值均在界面处,外延层中均为张应力,Si衬底在靠近界面处为压应力,远离界面逐渐过渡为张应力,存在一个应力为零的中性轴位置。     

Si(111)衬底上GaN外延材料的应力分析

对Si(111)衬底上GaN外延材料的应力随着低温AlN插入层数的变化进行了分析研究。通过喇曼散射谱在高频E2(TO)模式下的测试分析发现,随着低温AlN插入层数的增加,GaN材料的E2(TO)峰位逐渐接近体GaN材料的E2(TO)峰位(无应力体GaN材料的E2(TO)峰位为568cm-1),计算得出GaN材料的应力从1.09GPa减小到0.42GPa。同时,使用室温光荧光谱进行了分析验证。结果表明,Si衬底上GaN外延材料受到的是张应力,通过低温AlN插入层技术可以有效降低GaN材料的应力,并且最终实现了表面光亮的厚层无裂纹GaN材料。     

掺Pt对Si(100)上形成的NiSi薄膜应力的影响

利用在线应力测试技术表征了掺入Pt后对镍硅化物薄膜应力性质的影响.通过改变NiSi薄膜中Pt含量以及控制热处理的升温、降温速率实时测量了薄膜应力,发现在Si(100)衬底上生长的纯NiSi薄膜和纯PtSi薄膜的室温应力主要是热应力,且分别为775MPa和1.31GPa,而对于Ni1-xPtxSi合金硅化物薄膜,室温应力则随着Pt含量的增加而逐渐增大.应力随温度变化曲线的分析表明,Ni1-xPtxSi合金硅化物薄膜的应力驰豫温度随Pt含量的增加,从440℃(纯NiSi薄膜)升高到620℃(纯PtSi薄膜).应力驰豫温度的变化影响了最终室温时的应力值.     

(101)面生长双轴应变Si带边模型

采用结合形变势理论的k·p微扰法建立了(101)面弛豫Si1-xGex衬底上生长的双轴应变Si的带边模型.结果表明:[001],[001],[100]及[100]方向能谷构成了该应变Si的导带带边,其能量值随Ge组分的增加而增加;导带劈裂能与Ge组分成正比例线性关系;价带三个带边能级都随Ge组分的增加而增加,而且Ge组分越高价带带边劈裂能值越大;禁带宽度随着Ge组分的增加而变小.该模型可获得量化的数据,为器件研究设计提供有价值的参考.     

Impacts of additive uniaxial strain on hole mobility in bulk Si and strained-Si p-MOSFETs

Hole mobility changes under uniaxial and combinational stress in different directions are characterized and analyzed by applying additive mechanical uniaxial stress to bulk Si and SiGe-virtual-substrate-induced strained-Si (s-Si) p-MOSFETs (metal-oxide-semiconductor field-effect transistors) along <110> and <100> channel directions. In bulk Si, a mobility enhancement peak is found under uniaxial compressive strain in the low vertical field. The combination of (100) direction uniaxial tensile strain and substrate-induced biaxial tensile strain provides a higher mobility relative to the (110) direction, opposite to the situation in bulk Si. But the combinational strain experiences a gain loss at high field, which means that uniaxial compressive strain may still be a better choice. The mobility enhancement of SiGe-induced strained p-MOSFETs along the (110) direction under additive uniaxial tension is explained by the competition between biaxial and shear stress.     

单轴附加应变对体硅及应变硅p-MOSFETs空穴迁移率的影响

Hole mobility changes under uniaxial and combinational stress in different directions are characterized and analyzed by applying additive mechanical uniaxial stress to bulk Si and SiGe-virtual-substrate-induced strained- Si（s-Si）p-MOSFETs（metal-oxide-semiconductor field-effect transistors）along 110 and 100 channel directions. In bulk Si,a mobility enhancement peak is found under uniaxial compressive strain in the low vertical field.The combination of 100 direction uniaxial tensile strain and substrate-induced biaxial tensile strain provides a higher mobility relative to the 110 direction,opposite to the situation in bulk Si.But the combinational strain experiences a gain loss at high field,which means that uniaxial compressive strain may still be a better choice.The mobility enhancement of SiGe-induced strained p-MOSFETs along the 110 direction under additive uniaxial tension is explained by the competition between biaxial and shear stress.     

(001)、(101)、(111) 双轴应变Si、应变SiGe空穴散射机制

本文基于费米黄金法则和波尔兹曼碰撞项近似理论,对Si基应变材料各空穴散射机率与应力强度、晶向的关系进行了深入的研究。结果表明：1）在应力的作用下,Si基应变材料总散射几率明显降低;2）当Ge组分为0.2时,总散射几率量化排序为应变Si/(111)Si1-xGex>应变Si/(101)Si1-xGex>应变Si1-xGex/(111)Si>应变Si1-xGex/(101)Si>应变Si/(001)Si1-xGex>应变Si1-xGex/(001)Si;3）应力作用下空穴声学声子散射几率的降低是引起Si基应变材料总散射几率降低的主要原因。本文量化结论可为Si基应变及其他应变材料的相关研究提供重要理论参考。     

Si基外延Ge薄膜及退火对其特性的影响研究

采用超高真空化学气相沉积(UHV-CVD)系统,用低温Ge缓冲层技术在Si衬底上外延了张应变Ge薄膜.扫描电镜(TEM)图表明Si基外延Ge薄膜拥有低的位错密度,原子力显微镜(AFM)测试Ge层表面粗糙度仅为1.2 nm.对Si基外延Ge薄膜进行了不同温度下的退火,并用双晶X射线衍射(DCXRD)曲线和Raman谱进行...     

Cathodoluminescence study of micro-crack-induced stress relief for AlN films on Si(111)

Spatially, spectrally, and depth-resolved cathodoluminescence (CL) measurements were performed for high-quality thin AlN films grown on Si(111). Cl spectra exhibited a sharp peak at 5.960 eV, corresponding to the near-band-edge excitonic emission of AlN. Depth-resolved CL analysis showed that deep level oxygen and carbon impurities are localized primarily at the AlN/Si interface and AlN outer surface. Monochromatic CL imaging of the near-band-edge emission exhibits a spotty pattern, which corresponds to high concentrations of threading dislocations and thermally induced microcracks in the thin layers. We have examined relief of the thermal stress in close proximity to single microcracks and intersecting microcracks. Local CL spectra acquired with a focused e-beam show blue-shifts as large as ∼82 meV in the AlN near-band edge excitonic peaks, reflecting defect-induced reductions in the biaxial thermal stress, which has a maximum value of ∼47 kbar.     

Effect of Lattice Mismatch on Luminescence of ZnO/Si Hetero-Structure

研究了ZnO薄膜中应力对发光的影响.实验样品为ZnO体单晶、在Si基片上直接生长的ZnO薄膜以及通过SiC过渡层在Si基片上生长的ZnO薄膜.测量了这三种样品的X射线衍射图形、喇曼光谱和光致发光光谱.由X射线衍射图形可以看出,由于SiC过渡层缓解了ZnO与Si之间的晶格失配,使得通过SiC过渡层在Si上生长的ZnO薄膜的结晶质量好于直接在Si上生长的ZnO薄膜的质量.进一步通过喇曼谱测量发现,与ZnO体单晶相比,直接在Si上生长的ZnO薄膜的E2(high)峰红移1.9cm-1,根据喇曼谱峰位移与应力的关系可以推出薄膜中存在0.4GPa的张应力;而通过SiC过渡层在Si上生长的ZnO薄膜的E2(high)峰红移0.9cm-1,对应着0.2GPa的张应力.对照X射线衍射图形的结果可以看出,薄膜中张应力的大小与薄膜的结晶质量密切相关,表明张应力来源于外延层和基片间的晶格失配,晶格失配越大,外延层中产生的张应力越大.有无SiC过渡层的两种薄膜样品的PL光谱中都存在紫外和绿光两种谱带,随样品热处理时氧气分压增加,两种样品都出现绿光增强的相似的变化规律,但有SiC过渡层的样品的变化幅度较小.这一结果说明,绿色发光中心与薄膜的质量,也就是与薄膜中存在的张应力大小有关.在以往研究中得出的非故意掺杂ZnO薄膜的绿色发光中心来源于氧反位缺陷(Ozn),文中研究的结果正好可以解释氧反位缺陷形成的原因.由于薄膜中存在张应力,使得样品的能量升高,其结果必然会产生缺陷来释放张应力,以便降低系统能量.而氧离子半径大于锌离子半径,氧替位锌有利于释放张应力,也就是说,在存在张应力的情况下,Ozn的形成能降低.这一结果进一步证明Si上生长的ZnO薄膜中的绿色发光中心与氧反位缺陷有关.     

Thermal microscopy of electronic materials

Due to an increasing level of device integration and progressive device miniaturization, the thermal management requires comprehensive microscopic investigations of thermal properties as heat dissipation on the micro- and nanoscale. Today heat management is one of the key limiting factors in a wide range of electronic applications, e.g. in automotive and electro-mobility. In this review, an overview on far-field and near-field thermal microscopy techniques using infrared thermography, laser beam techniques, and scanning probe microscopy is given. The common aim of all these approaches is to get access to temperature distributions, heat transport mechanisms, thermos-elastic quantities, as well as thermoelectric properties of electronic materials on microscopic levels. Examples for devices inspections, for integrated circuit analysis, and for thin film technology applications at micro and nanoscale are presented.