Тимофєєв Володимир Іванович. Моделювання субмікронних компонентів інтегральних схем на сполуках AIIIBV

Короткий опис

Тимофєєв Володимир Іванович. Моделювання субмікронних компонентів інтегральних схем на сполуках AIIIBV: дис... д-ра техн. наук: 05.27.01 / Національний технічний ун-т України "Київський політехнічний ін-т". - К., 2004.

ТИМОФЄЄВ В.І.Моделювання субмікронних компонентів інтегральних схем на сполукахAIIIBV.Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.27.01 твердотільна електроніка. Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”. м. Київ, 2004.
Запропоновані нові науково обґрунтовані математичні моделі фізичних процесів і субмікронних ефектів у сучасних транзисторних структурах і інтегральних схемах міліметрового діапазону довжин хвиль, які забезпечують рішення важливої прикладної проблеми розробку перспективних субмікронних транзисторів з бар'єром Шотткі, транзисторів з гетероселективним легуванням і гетеробіполярних транзисторів із заданими параметрами і характеристиками, компонентів і інтегральних пристроїв на їх основі й удосконалювання технології виготовлення.
Проведені комплексні дослідження фізичних ефектів і процесів у субмікронних інтегральних структурах на основі з'єднань AIIIBVдля інтегральних схем із субмікронними розмірами областей активних компонентів і розроблено широкий спектр моделей приладів на основі напівпровідників AIIIBVі їх сполук, включаючи гетероструктури, з урахуванням субмікронних ефектів.
З єдиних позицій проаналізовані, узагальнені і сформульовані фізичні особливості й ефекти, властиві субмікронним структурам з розмірами, порівнянними з довжиною вільного пробігу електронів, обґрунтований і створений ієрархічний ряд математичних моделей різного рівня, визначені функціональні особливості субмікронних приладів і умови застосовності їх моделей до завдань адаптивного проектування.

У дисертаційній роботі запропоновані нові науково обґрунтовані математичні моделі, проведені комплексні дослідження фізичних механізмів і процесів у субмікронних інтегральних структурах на основі напівпровідникових сполук AIIIBVдля інтегральних схем із субмікронними розмірами областей активних компонентів і розроблено широкий ряд моделей приладів, включаючи гетероструктури, з урахуванням субмікронних ефектів, що забезпечує розв’язання значної науково-прикладної проблеми в галузі технічних наук розробки перспективних субмікронних транзисторів з бар'єром Шотткі, транзисторів з гетероселективним легуванням і гетеробіполярних транзисторів із заданими параметрами і характеристиками, інтегральних пристроїв на їх основі і удосконалення технології виготовлення.
Розв’язання даної проблеми забезпечується системними підходами до моделювання субмікронних багатошарових польових структур на основі напівпровідникових сполук AIIIBV, розробкою способів і єдиних підходів до аналізу нестаціонарних процесів дрейфу носіїв заряду в сильному електричному полі на основі релаксаційних рівнянь, розробкою ряда моделей для аналізу субмікронних ефектів, опису фізичних процесів взаємодії хвиль міліметрового діапазону з потоками носіїв заряду в сильному електричному полі, створенням адаптивних процедур і алгоритмів аналізу пристроїв із субмікронними компонентами для моделювання їх частотних, часових і шумових характеристик.
1. Найбільш істотні теоретичні результати:
уперше з єдиних позицій проаналізовані, узагальнені та сформульовані закономірності та особливості фізичних ефектів, властивих субмікронним структурам з розмірами, порівнянними з довжиною вільного пробігу електронів, обґрунтовано й створено ієрархічний ряд математичних моделей різного рівня, визначені функціональні особливості субмікронних приладів і умови застосовності їх моделей до завдань адаптивного проектування;
проаналізовано швидкісні властивості транзисторних структур і виявлено вплив субмікронних ефектів шляхом доповнення системи фундаментальних рівнянь переносу носіїв заряду в багатодолинних напівпровідниках обґрунтованою системою двовимірних релаксаційних рівнянь збереження імпульсу, енергії і часток для аналізу нестаціонарного дрейфу з урахуванням різних видів розсіювання;
створені математичні моделі, що описують граничні режими роботи транзисторів: субпороговий режим, режим відкритого каналу й інверсний режим; визначений вплив цих ефектів на функціонування приладів; визначені фактори, які визначають нелінійні властивості транзисторів у широкому діапазоні живлячих напруг і рівнів сигналу;
установлені джерела шуму, запропоновані нові моделі і методика аналізу шумових характеристик, які відрізняються врахуванням процесів нестаціонарного переносу, впливу параметрів транзисторних структур і бар'єра на границі канал-підкладка і дана фізична інтерпретація експериментальних характеристик субмікронних польових транзисторів у малошумлячому режимі;
виявлено новий принцип керування струмом субмікронного транзистора при напругах на затворі, близьких до відсічки, пов'язаний з надбар'єрною „емісією” електронів з витоку, розвинута та показана можливість керування струмом стоку не тільки внаслідок зміни товщини провідного каналу, але й за рахунок впливу стокової напруги на просторовий заряд у витоковій частині каналу, що актуально для приладів, які функціонують у режимі малого шуму, а також транзисторів з довжиною затвору біля 0,1 мкм;
розвинута та вдосконалена методика двовимірного моделювання транзисторів з високою рухливістю електронів на основі релаксаційної системи рівнянь, що дозволяє описувати субмікронні ефекти: «сплеск» дрейфової швидкості, розігрів у сильному електричному полі, міждолинний перенос, шунтуючий вплив підкладки, квазібалістичний ефект;
розроблені та проаналізовані двовимірні математичні моделі й алгоритми моделювання субмікронних гетеробіполярних транзисторів у дифузійно-дрейфовому наближенні для електронів і дірок, що включають рівняння для аналізу впливу сильного легування й розігрівних ефектів, визначені області з найбільшими градієнтами електричних полів і температур, що дозволяє виробити рекомендації для оптимізації параметрів транзисторних структур;
фізично обґрунтована і розроблена методика врахування розмірних ефектів, включаючи вплив ефектів у третьому вимірі транзисторних структур, що визначає особливості функціонування активних і пасивних компонентів монолітних інтегральних схем КВЧ, зокрема, розподілених ефектів і впливу технологічних неоднорідностей, розроблені моделі і алгоритми для аналізу НВЧ і КВЧ компонентів і кіл, придатні для моделювання монолітних і об'ємних інтегральних схем;
запропонована методика моделювання малошумлячих і широкосмугових субмікронних пристроїв на основі транзисторів на сполуках AIIIBV, ліній передачі на напівпровідниковій підкладці складної конфігурації. Отримано аналітичні вирази для аналізу характеристик надширокосмугових підсилювачів з розподіленим підсиленням з неоднорідними секціями, придатні для оптимізації параметрів підсилювачів.
2. Найбільш істотні практичні результати:
запропоновано ієрархічний ряд математичних моделей, орієнтований на дослідження фізичних характеристик транзисторних структур і інженерні розрахунки в практиці проектування електронних компонентів;
параметри структур і апроксимації, отримані на основі двовимірного моделювання, можуть використовуватися в пакетах схемотехнічного проектування субмікронних структур і оптимізації параметрів напівпровідникових структур і їх технології;
на основі результатів аналізу субмікронних ефектів розроблені критерії оптимального вибору параметрів субмікронних транзисторів і мікроелектронних пристроїв за підсилювальними і шумовими параметрами з урахуванням граничних режимів роботи і нелінійних ефектів, що дозволяє оптимізувати їх характеристики на етапі проектування і виготовлення;
розроблено математичні моделі субмікронних транзисторів з бар'єром Шотткі, транзисторів з гетероселективним легуванням і гетеробіполярних транзисторов, придатні для використання в САПР пристроїв міліметрового діапазону;
розроблені процедури й алгоритми аналізу й спроектовані малошумлячі і багатокаскадні підсилювачі на субмікронних ПТШ і гетеротранзисторах з довжиною затвору 0,20,4 мкм, що працюють у діапазоні частот 140 ГГц на зосереджених елементах і відрізках ліній передачі.
3. Проведено верифікацію розроблених моделей на широкому масиві експериментальних даних: статичних, малосигнальних, частотних підсилювальних і шумових характеристик. Вплив описаних у роботі фізичних ефектів підтверджено експериментальними даними.
За результатами проектування створені та впроваджені приймальні пристрої для авіаційних метеорологічних локаторів, систем супутникового дистанційного зондування земної атмосфери, прикладної радіоастрономії на радіотелескопі РАТАН-600.
Напрям подальших наукових досліджень і прикладних розробок та опис фізичних ефектів пов'язані із застосуванням нових матеріалів (наприклад, на основі нітридів елементів ІІІ групи) і характерними розмірами активних компонентів менш 0,1 мкм з урахуванням у транзисторних структурах при моделюванні специфічних фізичних механізмів і ефектів квантово-розмірних ефектів, ефектів, пов'язаних з високими рівнями легування тонких шарів, нових фізичних процесів у тонкоплівкових багатошарових гетероструктурах та ін.