הנדסה סטרין הפכה לטכניקה אבן הפינה בעיצוב של מכשירים למחצה מתקדמים, המאפשרת למהנדסים לשנות באופן יסודי את התכונות האלקטרוניות והאופטיות של חומרים מבלי לשנות את ההרכב הכימי שלהם.על ידי שליטה בדיוק על העיוות המכאני של מנוף גבישי למחצה, החוקרים פתחו הישגים שלא ניתן יהיה באמצעות doping או קנה לבד.טכניקה זו היא כעת חלק בלתי נפרד מההבנה של תאים מהירים, יעילים, פולטים, יעילים וגלויים הבאים.

מה זה Strain Engineering?

בגרעין, הנדסה מתוחה כוללת את ההקדמה מכוונת של מתח אל גביש מוליכים למחצה.לחץ זה יכול להיות דחיסה (הפחתת אטומים יחד) או Tenile (הפרק אותם), וכתוצאה מכך עיוות של ה- lattice קריסטל.המטרה העיקרית היא לשנות את המבנה האלקטרוני של החומר - הסדר של רמות האנרגיה שהאלקטרונים יכולים לכבוש - באופן שמגביר את הביצועים של ה-Firiphs ו-FIRST:

שיטות של החלת סטרין

כמה טכניקות פותחו כדי להכניס זנים למוליכים למחצה:

  • (FLT:0) לטימפס בחוסר התאמה ב-Hetero Structures:FLT:1 כאשר סרט דק של אחד מוליכים למחצה גדל באופן אפיטקסי על תת-קרקעי עם קבוע של מנוף שונה, הסרט נאלץ למתוח או לדחוס כדי להתאים את קריסטל הבסיסית.זהו השיטה הנפוצה ביותר, המשמשה באופן נרחב בסיליקון-Gie) סגסוגת ו-II-V.
  • (FLT:0) מתח מכני חיצוני: FLT:1ir החל לחץ פיזי או התכופף לגורם חצי-מוליכים יכול לגרום למתח על פני אזורים גדולים. גישה זו משמשת לעתים קרובות במחקר כדי ללמוד את ההשפעות של עיוות מבוקר.
  • (FLT:0) שכבות סטרסטור: 1FLT 1 להפקיד סרט עם לחץ פנימי גבוה (למשל, סיליקון ניטריד או סיליקון) על גבי המכשיר יכול להעביר מתח לאזור התעלה הבסיסית.
  • (FLT:0Misתואמים התרחבות תרמית: FLT:1 הבדלים במקדם של התרחבות תרמית בין מוליכים למחצה לבין תת-קרקעית שלה יכול ליצור מתח במהלך קירור מצעדי עיבוד עתירי גבוה.

הבחירה של השיטה תלויה בגודל הרצוי, בכיוון ובשליטה מרחבית של הזן. Uniaxial זן (החל לאורך ציר גביש יחיד) הוא לעתים קרובות המועדפת על ערוצי טרנזיסטור כי הוא ממקסם את שיפור ניידות המוביל בכיוונים ספציפיים.

הפיזיקה של Band Structure Modification

כדי להבין כיצד זנים משנה תכונות אלקטרוניות, יש קודם כל להעריך את הקשר בין סימטריה גבישית לבין הדיאגרמה של אנרגיה-מומנטום (E-k) של מוליכים למחצה.ב גביש לא מומן, את רצועת ההתנהגות מינימלית ואת valence הלהקה מקסימום להתרחש בנקודות ספציפיות באזור ברילבין - בדרך כלל בנקודה ⁇ (gamma) עבור חומרים ישירות-gap כמו Gaas, קרוב ל- Xreaves-x, כמו c-Frecats-Freme) חומרים מתפצלות של חומרים מעבורת חומרים מעבורת חומרים מעבורת של חומר ניקוי: 1.

Bandgap Modification

ההשפעה הישירה ביותר של זן היא שינוי ב-Pgap הבסיסי - ההבדל באנרגיה בין להקת הסגלגלים מקסימום והלהקה התנהגות מינימלית.בהתאם לסוג ולכיוון של זן, הפער יכול להרחיב או צר:

  • (FLT:0) זנים מדכאים של FLT:1 בדרך כלל מגביר את ה-Sgap במוליכים למחצה רבים III-V (למשל, GaAs) אבל יכול להפחית אותו באחרים כמו InGaAs. בסיליקון, מתח דחוס מכווץ את ה- Bandgap בצניעות.
  • (FLT:0) ensile זנים FLT:1 בדרך כלל מקטין את ה- Bandgap, לעתים קרובות להמיר חומר להקות עקיף לתוך אחד ישיר תחת עיוות מספיק - תופעה חיונית לפיתוח פולומים קלים מבוססי סיליקון יעיל.

שינויים אלה יש השלכות עמוקות על אופטימיזציה של Optoelectronics. A צר יותר מהפך את קצה הקליטה לאורך גל ארוך יותר, ומאפשר חומר ללכוד יותר של ספקטרום השמש. a ישיר Bandgap מאפשר שחזור רדיקאלי יעיל, חיוני לייזרים ודידות אור-הפחתת אור (LEDs).

המונחים: Carrier

ניידות נשאית – הקלות שבה אלקטרונים וחורים עוברים דרך ה- lattice – היא אחת הפרמטרים החשובים ביותר עבור טרנזיסטורים מהירים. סטרין משפרת את הניידות בעיקר על ידי שינוי מבנה הלהקה בשתי דרכים:

  • (FLT:0) גרימת מסה יעילה: 1FLT:1 The Curvature של הלהקה בתזמורת ההתנהגות המינימום קובע את המסה האפקטיבית של אלקטרונים.תחת לחץ רבילי, את הייבוש יכול להגדיל, להפחית את המסה האפקטיבי ומאפשר לאלקטרונים להאיץ בקלות רבה יותר תחת שדה חשמלי.
  • (FLT:0) מדכאים את פיזור המרווחים: ההרחבה:ראה LT:1 ; מוליכים למחצה עקיף-מגף כמו סיליקון, אלקטרונים יכולים לכבוש עמקים מקבילים רבים בלהקת ההיגוי.הזן הבלתי-מקסי מרים את הרודנות של עמקים אלה, כך שאלקטרונים מפולסים רק את העמקים עם מסה יעילה יותר.

עבור חורים בלהקת הסגלגל, הזן מחלק את החור הכבד ואת להקות חור האור, צמצום הפיזור בין פס ושיפור דרמטי של ניידות החור - גורם קריטי טרנזיסטור מסוג p.

Band Splitting and Degeneracy להורדה

מוליכים למחצה קוביים כמו סיליקון וגאס יש מספר רב של הלהקה extrema בלהקת valence. Strain שובר את הדה-רנטיות הזו, הפרדה בין החור הכבד, אור-חור ולהקות מפוצלים. זה פיצול ניתן להנדס כדי ליהנות מניתוח המכשיר: לדוגמה, בארות קוונטיות המשמשות בגוון לייזר, מתפצלות מתפצלות מצמצם את הסף הנוכחי ומשפר את הטמפרטורות הנוכחיות.

סוגים של סטרין ואפקטים שלהם

הנטייה והממדליות של זן משחק תפקיד מכריע כיצד מבנה הלהקה מגיב.שלושה סוגים עיקריים הם בדרך כלל נלמדים ומיושמים:

Uniaxial Strain

יישום לאורך כיוון גבישי יחיד, זן לא אקסקלי הוא שיטת הבחירה עבור טרנזיסטורים מודרניים.עבור סיליקון, זן רבילי לאורך הווטלה; 110 & gt; כיוון על (100) ומצמצמצם באופן משמעותי את הניידות האלקטרונית, בעוד זנים דחוסים לא-שיניים באותה אוריינטציה מגביר את הניידות החור.זה התנהגות אנטרופית מנוצלת על ידי הצגת אלמנטים מתח (למשל, pSpra) עבור שכבות ngra / NG.

Biaxial Strain

מתח Biaxial מתרחש כאשר סרט דק גדל על תת-קרקעי עם קבוע מנוף שונה, יצירת זן שווה בשני כיוונים אוטגוניים במטוס.זה נפוץ בסיגי-און-על-Si Heterostructures ו- III-V קוונטית בארות. Biaxial משמש לעתים קרובות כדי לכוון את ה-Biap של שכבת הקוונטים היטב, המאפשר טווח רחב של לייזרים מעבר עוביים, עם זאת, 000 קריטי, עם זאת, עם זאת, 000.

הידרוסט סטרטין

מתח הידרוסטטי (או Isotropic) מתכווץ או מרחיב את ה- lattice באופן אחיד בכל הכיוונים.זה פחות נפוץ בהבחנה של מכשירים אבל בעל ערך ללימוד פיזיקה יסודית. הידרוסט מגביר את ה-Switch ברוב המוליכים למחצה, בעוד מתח הידרוסטטי יורד אותו.סוג זה של זן של זן יכול גם לגרום מעבר ישיר-על-עין בחומרים מסוימים, כגון GaAs תחת לחץ גבוה מאוד.

הנדסה סטרין במודרני Semiconductors

ההשפעה המעשית של הנדסה בזנים ניכרת ביותר בתעשיית המוליכים למחצה, שם הייתה אבן הפינה של חוק מור הסקאלה במשך יותר משני עשורים.   ibFLT:0Sated טכנולוגיות סיליקון FLT:1 הוצג מסחרית על ידי אינטל ב -90nm node בסביבות 2003, והוא נשאר מפתח עבור כל דור טכנולוגיה לאחר מכן.

טכנולוגיה של הסיליקון

ב transistor CMOS קונבנציונלי, אזור הערוץ מורכב בדרך כלל סיליקון טהור.לנוכח זן, יצרנים להשתמש שילוב של טכניקות. עבור טרנזיסטורים ערוץ (nMOS), שכבת סיליקון דק עם לחץ רבילי גבוה מופקד על הערוץ, למשוך את סיליקון סיליקון סיליקון מחסנים יותר ולהגדיל את הניידות.

3V קומפלקס Semiconductors

מעבר לסיליקון, הנדסה זנים חיוני עבור 3-V מוליכים למחצה המשמשים אופטימיזציה או Tenile על לייזרים ו LEDs, השכבה הפעילה (לעתים קרובות InGaAs או InGaN) גדל תחת לחץ דחוס או Tenile על GaAs או GaN substrate. זה משמר את אורך הגל פליטה ומפחית את צפיפות הנוכחית.

מ מרגיע ומאפיין סטרין

אימות של זנים במכשירים Semiconductor הוא קריטי עבור בקרת תהליכים והבנה התנהגות המכשיר. טכניקות מסוימות משמשים כדי לכמת את הזן ב nanoscale:

  • (ה-pLT:0) רזולוציה גבוהה של דיפרקציה רנטגן (HRXRD): FIRLT:1 על ידי מדידה של השינוי הזוויתי של שיאי ההיקף, HRXRD יכול לקבוע את העיוות והזן בשכבות אפיטקסיות עם דיוק גבוה.
  • (FLT:0)Raman spectroscopy:FreaLT:1) תדירות של פוני אופטית משתנה עם מתח. על ידי מדידה של מיקום השיא של ראמן, החוקרים יכולים למפות זן עם פתרון מרחבי מיקרומטר.
  • (FLT:0) Transmission אלקטרוני microscopy (TEM) עם ניתוח שלב גיאומטרי:Fillo 1: TEM תמונות ניתן לעבד כדי לחלץ שדות זנים מקומיים ברזולוציה אטומית, חשיפת חלוקת זנים סביב dislocations או תכונות המכשיר.
  • (ב) ⁇ :0Micro-and nanobeam X-ray diffraction:Fillo 1:0Micro-ray ממוקדת X-ray beams מאפשר מיפוי מתוח בתוך ערוצי טרנסיסטאור בודדים.

טכניקות אלה, בשילוב עם מודלים חישוביים, מאפשרות למהנדסים לעצב פרופילים מזנים הממקסימים ביצועים תוך צמצום היווצרות פגם.

יישומים מעבר לאלקטרוניקה

בעוד ההצלחה המפורסמת ביותר של הנדסה בזנים היא טרנזיסטור, השפעתה משתרעת על פני אזורים רבים של אופטיקואלקטרוניקה וחישה.

לייזרים ואור - Light-Emitting Diodes

בארות קוונטיות מוגבלות הן המדיום הפעיל כמעט בכל לייזרים המוליכים למחצה המודרניים המשמשים בסיבים אופטיים, קוראי DVD ונקודות לייזר.על ידי הנדסה בקפידה את הזן, יצרנים להשיג זרמי סף נמוכים יותר, שיפור יציבות הטמפרטורה, ואת היכולת לכוון את אורך הגל פליטה על טווח רחב. לדוגמה, 1.5 μm לייזרים לשימוש טלקום מתוחים ב-GaP גבוה יותר ויותר לשימוש לייזרים ב-Bants-Bol-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-to-in-in-to-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-to-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-in-

תאים סולאריים

תאים סולאריים רב-צומת, אשר להשיג יעילות שיא מעל 47%, להשתמש ערימה של חומרים III-V. כל תא הוא lattice-matched או מעט מתוח כדי לספוג חלק אחר של ספקטרום השמש. סטרין יכול לשמש גם כדי להרחיב את קצה הקליטה של חומר, המאפשר ללכוד תמונות ארוכות טווח גלי זה יהיה אבוד אחרת.

MEMS ו-חיישנים

במערכות מיקרואלקטרוניקה (MEMS), מתנגדים רגישים למתח (דגימים) משמשים בחיישנים בלחץ ומטרים של מאיץ' (MEMS), אפקט ⁇ טיבי - שינוי בהתנגדות חשמלית בשל זנים מכניים - הוא מאוד משופר במוליכים למחצה בהשוואה למתכות. הנדסת סטרין מייעל את הדחף והכיוון הגישולי למקסימום.

המונחים:

סטרין יכול גם לשפר את הביצועים של חומרים תרמואלקטריים, אשר להמיר חום לחשמל.על ידי מאמץ הנדסי כדי להפחית את מוליכות תרמית של הנקה תוך שמירה על מוליכות חשמלית טובה, החוקרים שיפרו את הדמות של ערך (ZT) בחומרים כמו B2Te3 ו- PbTe.

כיוונים עתידיים ואתגרים

בעוד תעשיית המוליכים למחצה מתקרבת לגבולות הפיזיים של סיליקון, הנדסה זנים ממשיכה להתפתח, מיזוג עם גישות חדשניות אחרות.

שני חומרים

(TMDs) כמו MoS2 ו- WS2 הם מוליכים למחצה זעירים אטומיים שיכולים לעמוד בכמויות עצומות של זנים - לעתים קרובות מעל 10% - לפני fracing. גמישות זו פותחת הזדמנויות חסרות תקדים עבור מבנה הלהקה הנדסה. Tensile במונוlayer MoS2 יכול להפחית את ה- 1V עד 1.5V ואפילו לגרום מעבר ישיר-inalirtive עבור נפח מבוזר:2D.

הנדסה מבנית

השילוב של זן עם ואן דר וואלס heterostructures (החומרים השונים 2D) מאפשר הנדסת היערכות של להקה מעבר ל- lattice תואם מגבלות. Strain ניתן להשתמש כדי לתקן את הסוג-I, סוג-II, או סוג-III מ offsets בין שכבות, אופטימיזציה של הפרדה מטען ב photodetectors ותאים סולאריים.

עיצוב משלים

התקדמות ב-FLT:0)b InitioFLT:1 התיאוריה פונקציונלית צפיפות (DFT) ולמידה מכונה הם מאיץ את התגלית של חומרים מעובדים בזנים. חוקרים יכולים כעת למסך אלפי מערכות מתוחות היפותטי לזהות מועמדים עם להקות רצויות, המונים יעילים, וקליטה אופטית זו כבר חזה חומרים חדשים מתוחים עבור גלאי שיתוק ודלקת אינפרא אדום.

אתגרים

למרות ההבטחה שלה, הנדסה מתוחה מתמודדת עם אתגרים מתמידים. זן מוגזם יכול לגרום עיוות פלסטי באמצעות פירוק, אשר מקטין ביצועים של המכשיר ביצועים. שמירה על מתח אחיד על אזורים גדולים בייצור קשה.בנוסף, שכבות מתוחות יש עובי קריטי - אם גדל עבה יותר מאשר זה גבול, הם להירגע לאבד את התכונות המונדסים אלה דורש שילוב זהה עם שלבים אחרים, כגון תקציב תרמי ותנאי צילום.

מסקנה

הנדסה סטרין היא שדה בוגר עדיין מתקדם כי כבר מהפכה הטכנולוגיה Semiconductor טכנולוגיה. על ידי בדיוק מניפולציה של מנוף של גבישים, מהנדסים צברו את היכולת להתאים להקות, לשפר את הניידות של המוביל, וליצור מכשירים פונקציונליים חדשים.ממממממר מתוח בכל מיקרומעבד מודרני כדי לזן בארות קוונטיות בגוון לייזר, ההשפעה שלו היא מתפשטת קדימה, שילוב של חומרים פונקציונליים כמו חומרים מכניים, אפילו חשיבה מכנית, ואפקטים מתקדמים, אפילו אלקטרוניקה, כמו חומרים מתקדמים יותר, כמו גם אלקטרוניקה, ואפקטים מתקדמים, כמו גם אלקטרוניקה, כמו אלקטרוניקה מתקדמת יותר, כמו אלקטרוניקה, ואפקטים מתקדמים, כמו גם אלקטרוניקה מתקדמת יותר, כמו אלקטרוניקה מתקדמת יותר, מסוגלות, מסוגלות, אלקטרוניקה מתקדמת יותר, אלקטרוניקה מתקדמת יותר, אלקטרוניקה מתקדמת יותר, כמו אלקטרוניקה, אלקטרוניקה מתקדמת יותר, אלקטרוניקה מתקדמת יותר, אלקטרוניקה מתקדמת יותר, אלקטרוניקה, כמו גם אלקטרוניקה מתקדמת יותר, כדי לתרגול, כדי לאימון מכנית, כדי לתרגול אופטית, כדי לטיפוח של חומרים מתקדמים יותר, כדי לטיפוח של חומרים מתקדמים יותר, כדי להזיז יותר, כדי לטיפוח של חומרים מתקדמים יותר, כדי לטיפוח, כמו אלקטרוניקה מתקדמת

(ב) לקוראים המבקשים עומק נוסף, משאבים חיצוניים כגון  BuildFLT:0) , 000 צפיות על הנדסה מתוחה ב- ACS JournalscioFLT:1, The  03FLT:2 חומרים פרספקטיבה על סיליקון מזן מחוספס 3, ו-nbsp;FLT:4IEEE מכסה של זנים מתקדמים CMOSFLT:2 חומרים חומרים על מבנה חינוכי ניתן למצוא על גבי מסגרת חינוכית למחצה; 7FIVEL.