单轴应力锗能带结构研究.pdf

中国科学: 物理学 力学 天文学 2012 年 第42 卷 第1 期: 15–21 SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica Astronomica SCIENCE CHINA PRESS 论 文 单轴应力锗能带结构研究 * 马建立 , 张鹤鸣, 宋建军, 魏群, 王晓艳, 王冠宇, 徐小波 西安电子科技大学微电子学院, 宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室, 西安 710071 *联系人, E-mail: jianlima2005@126.com 收稿日期: 2011-04-27; 接受日期: 2011-09-19; 网络出版日期: 2011-12-20 国家部委资助项目(编号: 61398, 51308040106, 9140C090303110C0904)和陕西省自然科学基础研究计划(编号: 2010JQ8008)资助 项目 摘要 用形变势理论讨论了单轴001和110及111张/压应力对锗导带各能谷(能谷、能谷及 L 能谷) 能级的影响, 采用包含自旋-轨道互作用及应力在内的六带 k ·p 微扰法建立了单轴张/压应力作用下 锗的价带结构模型, 分析了锗价带带边能级随应力的变化情况, 获得了锗导带底能谷能级分裂值、价带 带边能级分裂值以及禁带宽度随应力的变化关系. 量化数据可为单轴应力锗器件及电路的研究与设计 提供参考. 关键词 单轴应力锗, 能带结构, k ·p 微扰法 PACS: 71.55.Cn, 71.70.Fk, 71.70.-d doi: 10.1360/132011-527 应变硅技术由于能够显著提高载流子迁移率和 目前, 国内外对应变锗的研究主要集中在应变锗材 器件驱动电流, 并与当前微电子的主流补偿型金属 料制备[5,7–9] 、新型器件结构[10–12]及其性能优化[4,13]等 氧化物半导体(CMOS)器件工艺兼容, 近年来获得了 方面, 有关应力作用下锗材料能带结构研究的文献 广泛的研究, 特别是单轴应变硅技术已成为 CMOS 报道则较少, 理论研究滞后于应用研究. 本文首先计 工艺中首选的迁移率增强方法[1,2]. 目前, 对更高速 算了单轴001和110及111应力作用于锗晶体时 度/ 高性能器件与电路的需求日益强烈, 然而硅器件 的应变张量, 然后基于形变势理论研究了锗导带的 的物理性能与工艺技术已经接近了其物理极限[3,4], 能谷、能谷以及 L 能谷能级在单轴001和110 这促使人们研究开发新材料、新器件结构以及新工艺 及111张/压应力作用下的变化情况, 采用包含自旋- 来提高器件沟道内载流子的迁移率, 最终达到改善 轨道互作用及应力在内的六带 k ·p 微扰法[14,15]建立 器件与电路性能的目的. 锗由于比硅具有更高的载 了不同方向单轴张/压应力作用下锗的价带结构模型, 流子迁移率而使得应变锗倍受关注[5–7]. 分析了锗价带带边能级随应力的变化情况, 得到了 能带结构是深入研究单轴应变锗材料基本属性, 锗导带底能谷能级分裂值、价带带边能级分裂值以及 设计高速/ 高性能器件与电路的理论依据, 意义重大. 禁带宽度随应力的变化关系. 获得了有实用价值的 引用格式: 马建立, 张鹤鸣, 宋建军, 等. 单轴应力锗能带结构研究. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2012, 42: 15–21 Ma J L, Zhang H M, Song J J, et