Струнная инженерия стала краеугольным камнем в разработке передовых полупроводниковых устройств, позволяя инженерам фундаментально изменять электронные и оптические свойства материалов без изменения их химического состава. Точно контролируя механическую деформацию полупроводниковой кристаллической решетки, исследователи разблокировали прирост производительности, который был бы невозможен только с помощью допинга или масштабирования. Эта техника теперь является неотъемлемой частью изготовления высокоскоростных транзисторов, эффективных светоизлучателей и фотоэлектрических элементов следующего поколения.

Что такое Strain Engineering?

В своей основе, деформация включает в себя преднамеренное введение напряжения в полупроводниковый кристалл. Это напряжение может быть либо сжимающим (толкать атомы ближе друг к другу), либо растягивающим (раздвигая их), что приводит к деформации кристаллической решетки. Основная цель состоит в том, чтобы изменить электронную структуру полосы материала - расположение уровней энергии, которые могут занимать электроны - таким образом, чтобы повысить производительность устройства.   Штамм изменяет расстояние между атомами и симметрию решетки , который непосредственно влияет на то, как электроны и дырки ведут себя в материале.

Методы применения напряжения

Было разработано несколько методов для введения штамма в полупроводники:

  • Несоответствие решетки в гетероструктурах:] Когда тонкая пленка одного полупроводника выращивается эпитаксиально на подложке с другой константой решетки, пленка вынуждена растягиваться или сжиматься, чтобы соответствовать лежащему в основе кристаллу.Это наиболее распространенный метод, широко используемый в сплавах кремния-германия (SiGe) и квантовых скважинах III-V.
  • Внешнее механическое напряжение: Применение физического давления или изгиба полупроводниковой пластины может вызвать напряжение на больших площадях. Этот подход часто используется в исследованиях для изучения эффектов контролируемой деформации.
  • Слои стрессора: Депонирование пленки с высоким внутренним напряжением (например, нитрид кремния или диоксид кремния) поверх устройства может передавать напряжение в область основного канала. Это ключевой метод в современном изготовлении транзисторов CMOS.
  • Несоответствующее тепловое расширение: Различия в коэффициенте теплового расширения между полупроводником и его подложкой могут создавать деформацию при охлаждении на этапах высокотемпературной обработки.

Выбор метода зависит от желаемой величины, направления и пространственного управления деформацией.Униаксиальный деформатор (применяется вдоль одной кристаллической оси) часто предпочтителен для транзисторных каналов, поскольку он максимизирует повышение подвижности несущей в конкретных направлениях.

Физика модификации структуры полосы

Чтобы понять, как деформация изменяет электронные свойства, сначала нужно оценить связь между кристаллической симметрией и диаграммой полупроводника с энергетическим импульсом (E-k). В ненапряженном кристалле минимальная полоса проводимости и максимум валентной полосы происходят в определенных точках в зоне Бриллюэна — обычно в точке Γ (гамма) для материалов прямого разрыва, таких как GaAs, или вблизи точки X для материалов косвенного разрыва, таких как кремний.   Стрен нарушает симметрию кристалла , вызывая сдвиги в этих крайних полосах и расщепление вырожденных уровней энергии.

Модификация Bandgap

Наиболее непосредственным эффектом деформации является изменение фундаментального бандгапа — разности энергий между максимумом валентной полосы и минимумом полосы проводимости.В зависимости от типа и направления деформации разрыв может либо расширяться, либо сужаться:

  • Сжатый штамм обычно увеличивает разрыв в полосе во многих полупроводниках III-V (например, GaAs), но может уменьшить его в других, таких как InGaAs.
  • Деформация растяжения обычно уменьшает разрыв в полосе, часто превращая непрямой разрыв в прямой при достаточной деформации — явление, решающее для разработки эффективных кремниевых излучателей света.

Эти изменения имеют глубокие последствия для оптоэлектроники. Более узкий разрыв полосы сдвигает край поглощения на более длинные длины волн, позволяя материалу захватывать больше солнечного спектра. Прямой разрыв полосы обеспечивает эффективную радиационную рекомбинацию, жизненно важную для лазеров и светодиодов (светодиодов).

Улучшенная мобильность перевозчика

Переносная мобильность — легкость, с которой электроны и дырки перемещаются через решетку — является одним из важнейших параметров для высокоскоростных транзисторов.Стрейн улучшает подвижность в первую очередь за счет изменения структуры полосы двумя способами:

  • Снижая эффективную массу: Кривизна полосы на минимуме полосы проводимости определяет эффективную массу электронов.При растяжении деформация может увеличиваться, снижая эффективную массу и позволяя электронам легче ускоряться под электрическим полем.
  • Подавляющее интервальное рассеяние:] В полупроводниках с косвенным разрывом, таких как кремний, электроны могут занимать несколько эквивалентных долин в полосе проводимости. Униаксиальный штамм поднимает вырождение этих долин, так что электроны заполняют только долины с более низкой эффективной массой. Это уменьшает рассеяние между долинами и повышает мобильность на 50% или более.

Для отверстий в валентной полосе деформация разделяет полосы тяжелой и легкой дырок, уменьшая межполосное рассеяние и значительно улучшая подвижность дырок — критический фактор в транзисторах p-типа.

Расщепление полос и поднятие вырождения

Кубические полупроводники, такие как кремний и GaAs, имеют множественные вырожденные крайние полосы на вершине валентной полосы. Штамм нарушает эту вырожденность, разделяя полосы тяжелой дыры, легкой дырки и отщепления. Это расщепление может быть спроектировано для пользы работы устройства: например, в квантовых скважинах, используемых в лазерных диодах, деформированное расщепление уменьшает пороговые токи и улучшает температурную стабильность.

Виды напряжения и их последствия

Ориентация и размерность деформации играют решающую роль в том, как реагирует структура полосы. Обычно изучаются и применяются три основных типа:

Одноосная нагрузка

Применяемый вдоль одного кристаллического направления, одноосный штамм является методом выбора для современных транзисторов. Для кремния одноосный растягивающий штамм вдоль направления <110> на пластине (100) значительно повышает подвижность электронов, в то время как одноосный сжимающий штамм в той же ориентации повышает подвижность дырок. Это анизотропное поведение используется путем введения элементов стрессора (например, встроенный источник SiGe / дренажи для pMOS и слои захвата нитрида растяжения для nMOS).

Биаксиальная нагрузка

Биаксиальный деформатор возникает, когда тонкая пленка выращивается на подложке с другой постоянной решетки, создавая равное деформирование в двух ортогональных в плоскости направлениях. Это распространено в гетероструктурах SiGe-on-Si и квантовых скважинах III-V. Биаксиальный деформатор часто используется для настройки полосы квантового слоя скважины, что позволяет широкий диапазон длин волн излучения в лазерных диодах. Однако за пределами критической толщины двуосные деформированные пленки могут расслабляться через образование дислокаций, ограничивая их практическую толщину.

Гидростатическая резина

Гидростатический (или изотропный) штамм сжимает или расширяет решетку равномерно во всех направлениях. Он менее распространен в изготовлении устройств, но ценен для изучения фундаментальной физики. Гидростатическое сжатие увеличивает разрыв в полосе в большинстве полупроводников, в то время как гидростатическое напряжение уменьшает его. Этот тип деформации также может вызывать переход от прямого к косвенному разрыву в определенных материалах, таких как GaAs под очень высоким давлением.

Strain Engineering в современных полупроводниках

Практическое влияние синтетической инженерии наиболее очевидно в полупроводниковой промышленности, где она была краеугольным камнем масштабирования закона Мура в течение более двух десятилетий. Технология сжатого кремния была введена в коммерческую эксплуатацию Intel в 90-нм узле около 2003 года, и она остается ключевым фактором для каждого последующего поколения технологий.

Напряженная кремниевая технология

В обычном CMOS-транзисторе канальная область обычно выполнена из чистого кремния. Для введения деформации производители используют комбинацию техник. Для n-канальных транзисторов (nMOS) тонкий слой нитрида кремния с высоким растягивающим напряжением осаждается по каналу, вытягивая кремниевую решетку и усиливая подвижность электронов. Для p-канальных транзисторов (pMOS) исходные и дренажные области утоплены и заполнены сплавом кремния-германия (SiGe), который имеет большую константу решетки, чем кремний. SiGe оказывает сжимающее напряжение на канал, повышая подвижность дырок. Эти методы были усовершенствованы на нескольких узлах, с 14 нм и 7 нм FinFET, интегрирующими еще более сложные слои стрессора и встроенные формы источника/дрена.

III-V Соединяющие полупроводники

Помимо кремния, тензоинженерия необходима для полупроводников соединений III-V, используемых в оптоэлектронике. В квантовых скважинных лазерах и светодиодах активный слой (часто InGaAs или InGaN) выращивается под напряжением сжатия или растяжения на подложке GaAs или GaN. Этот штамм сдвигает длину волны излучения и снижает пороговую плотность тока. Например, в синих светодиодах на основе квантовых скважин InGaN / GaN встроенный сжимающий штамм из-за несоответствия решетки частично отвечает за большие электрические поля (поляризация), которые влияют на эффективность излучения - проблема, которую исследователи смягчают путем оптимизации толщины скважины и компенсации деформации.

Измерение и характеристика напряжения

Точная характеристика штамма в полупроводниковых устройствах имеет решающее значение для управления процессом и понимания поведения устройства. Для количественной оценки штамма на наноуровне используется несколько методов:

  • Рентгеновская дифракция высокого разрешения (HRXRD): Измеряя угловое смещение пиков дифракции, HRXRD может с высокой точностью определять несоответствие решетки и деформацию в эпитаксиальных слоях.
  • Рамановская спектроскопия: Частота оптических фононов смещается с напряжением. Измеряя пиковое положение Рамана, исследователи могут отображать напряжение в образце с микрометровым пространственным разрешением.
  • Электронная микроскопия передачи (TEM) с геометрическим фазовым анализом: Изображения TEM могут быть обработаны для извлечения локальных полей деформации при атомном разрешении, выявляя распределение деформации вокруг дислокаций или особенностей устройства.
  • Микро- и нанолучевая рентгеновская дифракция: Ориентированные рентгеновские лучи на основе синхротронов позволяют отображать деформацию в отдельных транзисторных каналах.

Эти методы в сочетании с вычислительным моделированием позволяют инженерам разрабатывать профили деформаций, которые максимизируют производительность при минимизации образования дефектов.

Приложения за пределами электроники

В то время как самый известный успех тензоинженерии заключается в транзисторах, его влияние распространяется на многие области оптоэлектроники и зондирования.

Лазеры и светоизлучающие диоды

Стянутые квантовые скважины являются активной средой практически во всех современных полупроводниковых лазерах, используемых в волоконной оптике, DVD-ридерах и лазерных указках. Тщательно спроектировав штамм, производители достигают более низких пороговых токов, улучшенной температурной стабильности и способности настраивать длину волны излучения в широком диапазоне. Например, 1,55 мкм лазеры для телекоммуникационного использования сжимающе натянутых квантовых скважин InGaAsP, выращенных на подложках InP. Аналогично, синие лазеры InGaN / GaN, используемые в проигрывателях Blu-ray и лазерных проекторах, полагаются на штамм для достижения высокого содержания индия, необходимого для зеленого и синего излучения.

Солнечные элементы

Многопереходные солнечные элементы, которые достигают рекордной эффективности выше 47%, используют стеки материалов III-V, спроектированные с помощью деформации. Каждая подклетка имеет решетчатое соответствие или слегка напрягается, чтобы поглощать другую часть солнечного спектра. Штамм также может использоваться для расширения края поглощения материала, что позволяет захватывать фотоны с более длинной волной, которые в противном случае были бы потеряны.

MEMS и датчики

В микроэлектромеханических системах (МЭМС) в датчиках давления и акселерометрах используются тензочувствительные резисторы (пиезорезисторы). Пьезорезистивный эффект — изменение электрического сопротивления за счет механического деформирования — значительно усиливается в полупроводниках по сравнению с металлами. Строй-инженерная оптимизация допинга и кристаллической ориентации для максимизации чувствительности.

Термоэлектрики

Строй также может улучшить производительность термоэлектрических материалов, которые преобразуют тепло в электричество. Благодаря инженерному напряжению для снижения теплопроводности решетки при сохранении хорошей электропроводности исследователи улучшили показатель достоинства (ZT) в таких материалах, как Bi2Te3 и PbTe.

Будущие направления и вызовы

По мере того, как полупроводниковая промышленность приближается к физическим пределам масштабирования кремния, тензоинженерия продолжает развиваться, сливаясь с другими новыми подходами.

Двумерные материалы

Переходные металлические дихалькогениды (ТМД), такие как MoS2 и WS2, представляют собой атомарно тонкие полупроводники, которые могут выдерживать огромное количество деформации - часто превышающее 10% - до разрыва. Эта эластичность открывает беспрецедентные возможности для проектирования структуры полосы. Растягивающий штамм в монослойном MoS2 может уменьшить его разрыв с 1,9 эВ до менее 1,5 эВ и даже вызвать прямой-непрямой переход.   2D материалы предлагают платформу для экстремальной деформации, которая невозможна в кристаллах навалки, что позволяет настраиваемые оптоэлектронные устройства и гибкая электроника.

Гетероструктурная инженерия

Сочетание деформации с гетероструктурами ван дер Ваальса (укладывание различных 2D-материалов) позволяет осуществлять проектирование выравнивания полос за пределами ограничений согласования решеток. Строй может использоваться для точной настройки смещений полос типа-I, типа-II или типа-III между слоями, оптимизируя разделение заряда в фотоприемниках и солнечных элементах.

Вычислительный дизайн

Достижения в ab initio теории функционала плотности (DFT) и машинном обучении ускоряют открытие материалов, спроектированных с помощью деформации. Исследователи теперь могут экранировать тысячи гипотетических напряжённых систем для идентификации кандидатов с желаемыми пропусками, эффективными массами и оптическим поглощением. Этот вычислительный подход уже предсказал новые напряжённые материалы для фотокатализа и инфракрасных детекторов.

Вызовы

Несмотря на свои обещания, тензоинженерия сталкивается с постоянными проблемами. Чрезмерное деформирование может вызвать пластическую деформацию через дислокацию ядра, что ухудшает производительность устройства. Поддержание равномерного деформирования на больших площадях в производстве затруднено. Кроме того, тензообразованные слои имеют критическую толщину - если они становятся толще этого предела, они расслабляются и теряют инженерные свойства. Управление этими ограничениями требует тщательной интеграции с другими этапами процесса, такими как тепловые бюджеты и условия осаждения пленки.

Заключение

Строй-инжиниринг — зрелая, но все еще развивающаяся область, которая уже произвела революцию в полупроводниковой технологии. Точно манипулируя решеткой кристаллов, инженеры получили возможность адаптировать бандгапы, повысить мобильность носителей и создать новые функциональные устройства. От напряжённого кремния в каждом современном микропроцессоре до напряжённых квантовых скважин в лазерных диодах его воздействие повсеместно. Заглядывая вперед, сочетание деформации с новыми материалами, такими как 2D-полупроводники, и мощь вычислительного дизайна обещает разблокировать ещё большие возможности, стимулируя прогресс в электронике, фотонике и преобразовании энергии.

Для читателей, ищущих дополнительную глубину, внешние ресурсы, такие как обзоры по тензоинженерии в журналах ACS , перспектива природных материалов по тензообразованию кремния и , обеспечивают авторитетные ресурсы. Учебный материал по структуре полосы можно найти в руководстве по структуре полупроводниковой полосы DoITPoMS .