Strain mühendisliği, gelişmiş yarı iletken cihazların tasarımında temel olarak kimyasal kompozisyonlarını değiştirmeden malzemelerin elektronik ve optik özelliklerini değiştirmek için mühendislere izin vermek ve bir yarı iletken kristal lattice'nin mekanik deformasyonunu tam olarak kontrol etmek, araştırmacılar tek başına doping veya ölçeklendirmek için imkansız olacak performans kazanımlar elde etti.Bu teknik şimdi yüksek hızlı transistörlerin, verimli ışık yayıcılarının ve sonraki nesil fotovoltaik hücrelerin üretimine integral.

Strain Engineering Nedir?

Onun özünde, elektrik mühendisliği, kristal lattice'nin deformasyonunu içerir - elektronların ve deliklerin arttırılmasının bir şekilde düzenlenmesi.(Döntgen:0)[değiştir | kaynağı değiştir], temel amacın bozulması, malzemenin elektronik band yapısını değiştirmektir.

Uygulama yöntemleri

Yarı iletkenlere yayılmayı tanıtmak için birkaç teknik geliştirildi:

  • [FONT:0]Lattice, heteroyapılarda yanlış bir eşleşme: Bir yarı iletken film farklı lattice sabit bir şekilde, film altta yatan kristalle eşleştirmeye zorlanır veya en yaygın yöntemdir, silikon-germanium (SiGe) alaşımlarında ve III-V kuantum kuyularında yaygın olarak kullanılır.
  • [FONT:0]Dön mekanik stres: [Dönderilmiş bir yüke fiziksel baskı veya bükme uygulamak büyük alanlarda gerginlik yaratabilir. Bu yaklaşım genellikle kontrollü deformasyon etkilerini incelemek için araştırmada kullanılır.
  • [FONT:0]Stressor katmanları:[Dönetici:[Dönetici:0) Modern CMOS transistörlüğünde bir film depolayarak stres (örneğin, silikon nitrit veya silikon dioksit) bir cihazın üst kısmındaki temel kanal bölgeye stres aktarabilir.
  • [FONT:0)Miskrokili termal genişleme: Yarı iletken ve substrat arasında termal genişleme katsayısındaki farklar yüksek sıcaklık işleme adımlarından soğutma sırasında su yaratabilir.

Yöntem seçimi, istenen büyüklükte, yön ve uzaysal kontrolüne bağlıdır. Uni aksiyel bir eksen boyunca (yalnızca tek kristal eksen boyunca tercih edilir) genellikle transistör kanallar için tercih edilir, çünkü belirli yönlerde taşıyıcı hareketliliği geliştirmeyi en üstlenir.

Band Structure Modification Fiziği

Elektronik özellikleri nasıl azaltıldığını anlamak için, bir ilk olarak kristal simetri ve enerji-momentum (E-k) yarı iletken kristaller için bir nokta. -tıplama bandı minimum ve valans bandı, Brillouin bölgesinde en yüksek puanlar - genellikle bu tür enerji-gaplar gibi doğrudan-enerjiye yol açan malzemeler için işaret eder.

Bandgap Modification

Kazımın en doğrudan etkisi temel bandgap'ta bir değişikliktir - valence grubu arasındaki enerji farkı minimum ve minimum düzeyde.Sürüme türüne ve yöne bağlı olarak, boşluk ya geniş ya da dar olabilir:

  • [FONT:0]Kompretif sular[Dönetici:0)[Döneticiler) genellikle grupgap'ı birçok III-V yarı iletkenlerinde arttırır (örneğin, GaAs) ama diğerlerinde de azalır.InGaAs.In silikon, sert bir şekilde azalır.
  • [FONT:0]Tensilesi[[[Dönetici: 1) genellikle grupgap'ı genellikle yeterli deformasyon altında doğrudan bir tane haline getirir - verimli silikon bazlı ışık yayıcıları geliştirmek için bir fenomen çok önemli.

Bu değişiklikler optoelektronik için derin etkiler vardır. Darer bir grupgap, daha uzun dalgalara kadar absorpsiyon kenarını değiştirir, güneş spektrumunun daha fazla yakalamasına izin verir. Doğrudan bir grupgap, verimli radiative recombinasyon, lazerler ve ışık-ilaçlar için hayati sağlar.

Geliştirilmiş Taşıyıcı Hareketliliği

Taşıyıcı hareketliliği - elektronların ve deliklerin lattice aracılığıyla hareket ettiği kolaylık - yüksek hızlı transistörler için en önemli parametrelerden biridir. Strain, öncelikle iki şekilde grup yapısını değiştirerek hareketliliği geliştirir:

  • [[Düzücük:0) Etkili kütleyi azaltmak:[Dönetici:[Dönetici:0)Komş bandında grubun eğriliği minimum elektronların etkili kütlesini belirler.In Machinery3.6, curvature artırabilir, etkili kütleyi azaltır ve elektronların elektrik alanında daha kolay hız vermesine izin verebilir.
  • [FONT:0]Suppressing intervalley saçını: Silikon gibi dolaylı olarak yarı iletkenler, elektronlar iletkenlik grubu içinde birden fazla eşdeğer vadi işgal edebilir. Uni aksiyel bu vadilerin dejeneracy of these vadiler, bu yüzden elektronlar sadece daha düşük etkili kütle ile vadileri bağlar.

Aynlık bandında delikler için, ağır delik ve ışık delik bandları bölünür, interbandı azaltır ve dramatik bir şekilde delik hareketliliğini geliştirir - p tipi transistörlerde kritik bir faktör.

Band Splitting ve Degeneracy Kaldırma

Silikon ve GaAs gibi Cubic yarı iletkenleri, valence bandında kullanılan valence bandında birden çok dejenere sahip. Strain bu degeneracy, ağır delik, ışık delik ve bölünmüş gruplar. Bu bölme, cihaz çalışmasına yardımcı olabilir: örneğin, lazer diyotlarında kullanılan kuantum kuyularda, akımları azaltır ve sıcaklık stabilitesini artırır.

Strain ve Etkileri

Kazımın eğilimi ve boyutsallığı, grubun yapılarının nasıl yanıt verdiği konusunda belirleyici bir rol oynamaktadır. Üç birincil tip genellikle incelenir ve uygulanır:

Uni aksiyel Strain

Tek bir kristal yönü boyunca, tek bir aksiyel gerginlik, modern transistörler için seçim yöntemidir. silikon için, hipotansiyonel baskı ve s.........................<110&g; bir yöne doğru, nMOS ve nitrit kapakları aynı yönde güçlendirilirken.

Bi aksiyel Strain

Bi aksiyel bir su, ince bir film farklı bir lattice sabitiyle bir substrat üzerinde büyüdüğünde, iki veya iki kat daha fazla emisyon yaratmanın ardından SiGe-on-Si heteroyapılarında ve III-V kuantum kuyularının oluşumunda yaygın olarak görülür.

Hidrostatik Strain

Hidrostatik (veya izotropik) drenajı veya lattice üniformasını tüm yönlerde genişletir, ancak temel fizik eğitimi için daha az yaygındır. Hidrostatik sıkıştırma, grubun en yarı iletkenlerinde artış gösterirken, hidrostatik gerilim azalır.Bu tür bir gerilim de belirli malzemelerde doğrudan-to-inyönemli bir bandgap geçişine yol açabilir.

Modern yarı iletkenlerde Strain Engineering

Elektrik mühendisliğinin pratik etkisi yarı iletken endüstride en belirgindir, Moore Yasasının iki yıldan fazla bir süredir ölçeklendirilmesinin bir temel taşı olmuştur.(Dönemli silikon teknolojisi).

Strained Silikon Teknolojisi

Geleneksel bir CMOS transistöründe, kanal bölgesi genellikle saf silikonun çekilmesi ve elektron hareketliliğini artırmak için, üreticiler tekniklerin bir kombinasyonunu kullanır. For n-channel transistörler (NMOS), yüksek vakumlu bir silikon nitrit tabakası, silikonun üzerindeki yüksek basınçlı bir lattice sabiti, kanaldaki silikon hidroksit basıncının arttırılması ve yükseltilmesidir.

III-V bileşik yarı iletkenler

Silikon ötesinde, mühendislik optoelektroniklerde kullanılan III-V bileşik yarı iletkenler için gereklidir. kuantum iyi lazerler ve LED'lerde, aktif katman (GaAs veya InGaN) lattice yanlışlığı nedeniyle büyülenmiş veya sert bir şekilde büyüye maruz kalır. Bu su basıncı değiştirir ve eşiğin şu anki yoğunluğu azaltır. Örneğin, mavi LED'lerde, Mayıs/GaN kuantum kuyularında, inşa edilmiş sert bir şekilde sertleştirici ve sert bir şekilde azaltılır.

Ölçme ve Karakterize

Yarı iletken cihazlardaki deformasyonun doğru karakterizasyonu, proses kontrolü ve anlayış cihazı davranışı için kritiktir. nano ölçeklideste susmayı ölçmek için çeşitli teknikler kullanılır:

  • [FONT=0) Yüksek çözünürlüklü x-ray diffraction (HRXRD): [Döntgenlerin kırılışlarının akışının geçişini ölçerek, HRXRD, lattice yanlış bir eşleşmeyi ve yüksek hassasiyetle epit aksiyel tabakaları belirleyebilir.
  • [FONT:0)Raman spektroskopi: [Döneticileri ısıtarak değiştirip, optik fononların ısıtımı frekansına geçiş yapar. Raman zirve konumunu ölçerek, araştırmacılar mikrometer uzaysal kararlarla örnekle su haritalayabilirler.
  • [FONT=0)Transmission elektron mikroscopy (TEM) geometrik faz analizi ile: [Dönetici:[Dönetici: 0) TEM görüntüleri, atomik karardaki yerel sualtı alanları çıkarmak için işlenebilir, dislokasyonlar veya cihaz özellikleri etrafında su dağılımı ortaya çıkarabilir.
  • [FONT:0)Mikro- ve nanobeam X-ray difraksiyonu:[DÜT:1) Senhrotron tabanlı odaklanmış X-ray kirişleri bireysel transistör kanallarda dolaşmasına izin verir.

Bu teknikler, hesaplama modelleme ile birlikte, mühendislerin hata formasyonunu en üst düzeye çıkarmak için baskı profilleri tasarlamasını sağlar.

Elektronik Uygulamaların Ötesinde Uygulamaları

Mühendislikin en ünlü başarısı transistörlerdeyken, etkisi optoelektronik ve algılama alanlarında genişletilir.

Lazerler ve Işık-Eating Diodes

Strained kuantum iyileri neredeyse tüm modern yarı iletken lazerlerde kullanılan aktif ortadır, fiber optikler, DVD okuyucular ve lazer noktaları.Tüzükleri dikkatlice mühendislikle, üreticiler mevcut düşük sıcaklık stabilitesi elde ederler ve Blu-ray oyuncuları ve lazer projektörleri ayarlama yeteneği - örneğin, 1.55 μm lazerleri telecom kullanımı için sıkıştırıcı olarak baskılı olarak yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte kullanılan yüksek çözünürlükte.

Güneş Hücreleri

Güneş spektrumunun farklı bir kısmını absorbe etmek için çok fazla miktarda güneş hücresi, III-V materyallerinin sıkıştırılmış yığınlarını kullanmak için de kullanılabilir.Her alt hücre, güneş spektrumunun farklı bir kısmını absorbe etmek için en uygun veya biraz susamış. Strain aynı zamanda bir malzemenin absorbe edilmesi için kullanılabilir, aksi takdirde kaybedilecek daha uzun dalga uzun foton yakalamasına izin verebilir.

MEMS ve Sensörler

Mikroelekromechanical sistemler (MEMS), su geçirmez dirençler (piezoratörler) baskı sensörleri ve hızlayıcılar tarafından kullanılır.Tükleerik etki - mekanik gerginlik nedeniyle elektrik direncinde bir değişiklik - metallerle kıyasla büyük ölçüde gelişmiştir.

Termoelektrikler

Strain ayrıca, elektrik içine ısıyı dönüştüren termoelektrik materyallerin performansını da artırabilir. İyi elektrik iletkenliği korumak için mühendisliksel gerginlikle, araştırmacılar, Bi2Te3 ve PbTe gibi malzemelerde değer (ZT) sayısını güçlendirdiler.

Future Yol ve Challenges

Yarı iletken endüstri silikon ölçeklendirmenin fiziksel sınırlarını yaklaşırken, elektrik mühendisliği gelişmeye devam ediyor, diğer yeni yaklaşımlarla birleşmeye devam ediyor.

İki-Dimensional Materials

Geçiş metal dichalcogenides (TMDs) MoS2 gibi ve WS2, büyük miktarda gerginliklere dayanabilecek atomik olarak ince yarı iletkenlerdir - genellikle% 10'u aşmalıdır - fracturing.Bu elastiklik, bant yapısı mühendisliği için eşsiz fırsatlar açar[değiştir | kaynağı değiştir][değiştir | kaynağı değiştirilebilen bir platform sunar[değiştir | kaynağı değiştir][değiştir | kaynağı değiştirilebilen bir platformdur.[değiştir | kaynağı değiştir]

Heteroyapı Mühendisliği

Van der Waals heteroyapıları ile birlikteki gerginlik kombinasyonu (üçüncü maddeyi memnun etmek) lattice eşleştirme kısıtlamalarının ötesindeki grup bölme mühendisliğine izin verebilir. Strain, tip-I, tip-II veya tip-III bandı, tabakalar arasındaki dengeler, fotodeptörler ve güneş hücreleri arasındaki şarj edilebilir.

C ⁇ Design

Prostats initio[[DFT) ve makine öğrenimi, olası bandgaps ile adaylar tespit etmek için binlerce varsayımlı sistem tasarlamaktadır.Bu hesaplama yaklaşımı zaten fotokataliz ve kızılötesi dedektörleri için yeni susamış malzemeler öngörür.

Meydanlar

Sözcülüğe rağmen, mühendislik kalıcı zorluklarla karşı karşıyadır. Aşırı derecede sert bir şekilde suratılış, bu kısıtlamaların bozulmasıyla plastik deformasyona neden olabilir, bu da ısıtıcı performanslar ve film depozisyon koşulları gibi diğer süreç adımlarıyla dikkatli bir entegrasyon gerektirir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Strain mühendisliği, yarı iletken teknolojiyi zaten ilerletmiş bir alandır. Tam olarak kristallerin latticesini manipüle ederek, mühendisler, yarı iletken bantlı yetenekleri geliştirmek ve yeni işlevsel cihazlar oluşturmak için vaat etti. her modern mikroişlemcide, enerji dönüşümünde kuantum kuyularını güçlendirmek için, etkisi pervaptırıcı.

Okuyucular daha da derinlik, dış kaynaklar gibi   ACS Journals)'de elektriksel kaynaklar (Dönetici) ve , ve ) gibi;) İleri CMOS[FLT: 5)[FLT: 5)