半导体器件物理参数模型研究及器件模拟

摘要

半导体器件的特性仿真已经成为半导体器件设计与半导体器件研究的重要手段，而且必将更加有力地推动半导体行业的发展。半导体器件特性仿真基于准确的载流子输运方程和物理模型，使人们对半导体器件的研究更加准确、高效和方便。第三代半导体材料的出现使半导体器件的设计出现了许多新的结构，这些新型结构器件有许多良好的特性，例如工作频率更高，击穿电压更高等。但是对第三代半导体材料物理模型的研究还不够充分，使一些物理模型还不准确。
　　本学位论文正是针对上述的问题，以第三代半导体材料的物理模型和新型器件结构为主要研究对象，在充分了解第一、第二代半导体材料物理模型的基础上，尝试把它们的物理模型应用到第三代半导体材料的物理模型上，并由此设计新型半导体器件，并对其进行相关特性仿真。主要的工作有以下几个方面：
　　1.简述了半导器件及材料的发展状况，并对半导体器件数值模拟的定义进行了说明。
　　2.简要概述了半导体器件的数值模拟过程，并对相关输运方程和物理模型作简要概括。
　　3.作者对第一、第二代半导体材料的物理模型进行了相关研究，并进行了归纳总结，在Genius源码中基于上述能带模型，迁移率模型，碰撞电离模型，复合模型的基础上上添加了 SiGe,GaN,3C-SiC,4H-SiC,6H-SiC,AlGaAl等宽禁带半导体材料，运用这些材料库可模拟较热门的宽禁带半导体材料。
　　4.采用二维器件仿真软件Silvaco对Si双极晶体管进行特性仿真，得到了其转移特性曲线，输出特性曲线等，并分析了其内部载流子输运过程等。
　　采用二维器件仿真软件Genius对Si双极晶体管进行特性仿真，得到了其转移特性曲线，输出特性曲线等，并把结果和Silvaco软件的仿真结果进行了比较，得出两个软件仿真结果相近，具有可比性。
　　采用二维器件仿真软件 Silvaco对 GaN/Si异质结双极晶体管进行了特性仿真研究。对GaN/Si异质结双极晶体管建立了合理准确的物理模型，包括不完全电离模型、能带模型、能带变窄模型、迁移率模型与复合模型。

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第一章 绪论

1.1 半导体器件及材料的发展历史

1.1.1 半导体器件数值模拟技术的发展

1.1.2 半导体器件数值模拟的定义

1.2 本论文主要研究内容

1.3 本章小结

第二章 半导体器件数值模拟过程

2.1 半导体器件模拟分类

2.2 器件模拟的基本方程

2.2.1 Poisson方程

2.2.2 电流连续性方程

2.2.3 载流子的输运方程

2.2.4 热传导方程

2.2.5 半导体器件的基本方程

2.3 载流子迁移率

2.3.1 晶格振动散射

2.3.2 电离杂质散射

2.3.3 载流子-载流子散射

2.3.4 中性杂质散射

2.3.5 位错散射

2.3.6 等同的能谷间散射

2.4 载流子的产生和复合

2.4.1 SRH复合

2.4.2直接复合

2.4.3俄歇复合

2.4.4表面复合

2.4.5碰撞电离

第三章 半导体器件物理参数模型

3.1 半导体的能带参数

3.2 载流子迁移率模型

3.2.1 掺杂浓度相关低场迁移率模型

3.2.2 常数低电场迁移率模型

3.2.3 解析的低电场迁移率模型

3.2.4 平行电场相关迁移率模型

3.2.5 Klaassen标准低电场迁移率模型

3.2.6 反型层迁移率模型

3.3 载流子产生模型

3.3.1 Selberherr碰撞电离模型

3.3.2Van Overstraeten-de碰撞电离模型

3.3.3 Grant 碰撞电离模型

3.3.4 Toyabe碰撞电离模型

3.4 载流子复合模型

3.4.1 SHR复合模型

3.4.2 SRH少子寿命与掺杂浓度相关复合模型

3.4.3 标准俄歇复合模型

3.4.4 Klassen温度相关俄歇复合模型

3.4.5 直接复合

3.5 宽禁带半导体材料物理模型的添加

3.5.1 能带参数的添加

3.5.2 迁移率模型的添加

3.5.3 复合模型的添加

3.5.4 生成率模型的添加

3.6 本章小结

第四章 模拟结果及分析

4.1 Silvaco软件对双极晶体管的仿真

4.1.1 器件结构

4.1.2 物理参数模型设定

4.1.3 平衡态仿真结果

4.1.4 Gummel曲线

4.1.5 输出特性曲线

4.2 Genius软件对双极晶体管的仿真

4.2.1 器件结构建模

4.2.2 Gummel曲线及与Silvaco软件的比较

4.2.3 输出特性曲线及与Silvaco软件比较

4.3GaN_Si npn HBT特性研究

4.3.1 器件结构及物理模型

4.3.2 物理参数模型设定

4.3.3 平衡态仿真结果

4.3.4 仿真结果

4.3.5 结论

第五章 结束语

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果