Математическое моделирование субмикронных биполярных гетероструктурных транзисторов на основе полупроводниковых материалов А3В5 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

московский ордена трудового красного знамени

Р Г Б ОеЛзико-технический институт ран

; 6 СЕН

иа правах рукописи

карташов сергей евгеньевич

математическое моделирование субмикронных биполярных гетероструктурных транзисторов на основе полупроводниковых материалов л3я5.

01.04.04 - физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в Физико-технологическом институте РАН.

Научные руководители: член-корреспондент РАН, доктор

физико-математических наук, профессор РЫЖИЙ В.И.

кандидат физжко-матеиатичесхмх наук, профессор КАЛБНКОВ С.Г.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор ФЕЦИРКО В.А. кандидат физико-математических наук СОЛЯКОВ В.Н.

Ведущая организация: Институт математического моделирования

РАЕ

Защита состоится " 2. ^ "О^/Ъ 1 яйд г. в 1 & часов на заседании специализированного совета К 063.91.01 в Московском физико-техническом институте /141700, Долгопрудный, Институтский пер., 9, ауд.204/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института.

Афтореферат разослал _" семЫ ¿рЛ> 1994 г

Ученый секретарь Специализированного совета

кандидат физико-математических наук Коновалов НД.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

Решение задач микроэлектроники по повышению быстродействия элементов интегральных схем (ИС), уменьшению их энергопотребления, увеличению степени интеграции ИС потребовало перейти к созданию элементов ИС яа основе полупроводниковых материалов груп-. пы АзВ$, а также к введению в.их структуру гетеропереходов. Одним из перспективных элементов сверхбыстродействующих ИС являются биполярные гетероструктурные транзисторы (БГТ). Интерес к этим приборам резко возрос в последние годы, благодаря широкому внедрению в практику изготовления ИС таких технологий, как: молекулярно-лучевая эпмтаксия и эпитаксия из паровой фазы метал-лоорганических соединений. В настоящее время основные усилия разработчиков БГТ направлены на совершенствование структуры транзистора и повышение за счет этого его быстродействия.

Отличительной особенностью субмикронных элементов на основе соединений типа АзВ$ является сильная неравновесность электронно-дырочной плазмы, вызванная соизмеримостью времен релаксации импульса и энергии носителей заряда со временем их пролета через активную область прибора. В этих условиях процесс разогрева электронно-дырочной плазмы электрическим полем носит нелокальный характер, что находит свое проявление во всплеске средней скорости при резком изменении величины электрического поля, в нелокальной зависимости средней энергии, дрейфовой скорости и заселенности различных долин зоны проводимости от величины напряженности электрического поля, а также в возможности реализации баллистического и квазибаллистического переноса.

Сложность перечисленных явлений затрудняет создание простых достаточно адекватных моделей, позволяющих рассчитывать характеристики полупроводниковых приборов с субмикронными размерами И иметь ясные физические представления о принципах их функционирования. В этой связи большое значение приобретает математическое моделирование физических процессов в субмикронных элементах интегральных схем.

Цель работы.

Настоящее исследование посвящено кинетическому моделированию биполярных гетероструктурных транзисторов на основе полупроводниковых соединений типа А$Вь. Ставилась цель детально исследовать физические процессы, происходящие в субмикронных БГТ, и выяснить влияние этих процессов на быстродействие приборов.

Научная новизна и практическая ценность.

К моменту начала работы над диссертацией в научной литературе был опубликован ряд статей, посвященных математическому моделированию на основе кинетического подхода субмикронных БГТ. Однако, в этих работах уделялось недостаточное внимание комплексной оптимизации структуры БГТ в целом. В диссертационной работе был получен ряд новых результатов. Проанализировано влияние физико-топологических параметров структуры БГТ (профиль легирования коллекторного перехода, толщины базового и коллекторного слоев), а также величин паразитных элементов транзисторной структуры (последовательные сопротивления эмиттера и коллектора, пассивное сопротивление базы, пассивная и контактная емкости база-коллекторного перехода) на его высокочастотные свойства. Исследовано влияние яеоднороднолегированного коллекторного перехо-

да на зависимость частоты отсечки от величия приложенных напряжений. Построен и верифицировав по известным в литературе экспериментальным данным метод расчета высокочастотных характеристик БГТ, учитывающий неравновесный перенос носителей заряда, эффекты высокого уровни инжекции, а также реальную геометрию прибора.

Создан пакет программ, который может быть использован в системах автоматизированного проектирования субмикронных БГТ.

Апробвцш работы.

Основные результаты работы докладывались на научной семинаре пса руководством профессора В.Й.Рыжия, на научном семинаре под руководством профессора А.А.Орлнковского, :а VI республиканской школе-семинаре "Математическое и машинное моделирование в микроэлектронике" (Паланга, 1Э91), а также на международных конференциях "International Conference on VLSI and CAD" (Seoul, Korea,

1991), "International Conference of Microelectronics'' (Warsaw, Poland,

1992)," The International Workshop on Computational Electronics* (University of Leeds, England, 1993), "International Conference on VLSI and CAD, (Seoul, Korea, 1993), "International Conference cn Advanced Microelectronic Deviccs and Processing" (Sendai, Japan, 1994).

Публикация.

По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, перечисленных в конце автореферата.

Объем диссертация.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста и содержит 46 рисунков на 44 страницах. Список литературы

шпчит 100 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении дана общая характеристика работы, включая актуальность темы, цель я научную новизну, а также приведены основные результаты и вывалы.

Первая глава посвящена прямому методу макрочастиц, используемому при математическом моделировании биполярных гетерострук-турных транзисторов, а также методам определения высокочастотных свойств Б1Т.

В §1.1 подробно рассмотрен метод моделирования электронно-дырочной плазмы (ЭДП) биполярного гетероструктурного транзистора, в котором электронная компонента плазмы в базе и обедненном слое коллектора описывается в рамках кинетического подхода, а для описания дырочной плазмы в базе используется дрекфово-диффузионная модель. Обсуждается область применимости данного подхода. Рассмотрена система уравнений, описывающая поведение ЭДП, задаются граничные и начальные условия, необходимые для решения этом системы.

В §1.2 обсуждаются моделируемые процессы рассеяния электронов с кейновским законом дисперсии. Приводятся конкретные формулы вероятностей рассеяния, выражения плотностей вероятности угла рассеяния для всех учитываемых при моделировании механизмов рассеяния, а также используемые в дальнейшем параметры материалов.

В §1.3 рассматриваются основные составные части прямого метода макрочастиц и процедуры Монте Карло. Поясняется выбор модели макрочастиц и соответствующих ей уравнений движения макрочастиц, а также их разностных аналогов. Подробно описывается мето

б

дика моделирования рассеяний с помощью процедуры Монте Карло. Лается схема определения времени свободного пробега макрочастиц, а также новым способ учета актов саморассеяния.

§1.4 посвящен методам расчета высокочастотных характеристик БГТ. Подробно излагается метод определения частоты отсечки транзистора, основанный на Фуръе -анализе наведенного коллекторного тока при изменении инжектируемого эмиттерного тока» Представлена эквивалентная схема БГТ, реально учитывающая топояогик» транзистора, излагается метод определения внешних характеристик транзистора с помощью матрицы; й-марвметров. Приведите« конкретный вид коэффициентов усияешаж и коэффициента устойчивости транзистора.

В конце гяавы сформулированы краткие выводы.

Вторая глава посвяшена математическому моделированию нестационарных электронных процессов в базе All пАз/Gain As н AlGaAs/GaAs БГТ и влиянию режима переноса электронов в базе на характеристики транзистора.

В §2.1 дается обзор литературы, посвященной созданию к моделированию БГТ на основе материалов Л3Д5 с различными эмиттер-базовыми переходами.

В §2.2 моделируется динамика электронов в базе AlGaAs/GaAa БГТ. Исследуется влияние конструктивных параметров эмиттер-базового перехода на высокочастотные характеристики транзистора. Установлено, что вклад времени задержки в базе в общую задержку транзистора является незначительным при толщинах базы порядка 0.1 мкм. Однако, характер переноса электронов в базе оказывает существенное влияние на транспорт электронов в обегшенной области

коллектора, я тем самым, влияет на высокочастотные характеристики ЕГТ к целом,

В $2.3 анализируется перенос электронов в базе БГТ с А11пАл/Са1пАл эмиттер-базовым переходом. Исследована завис*-. мость режима переноса электронов в базе таких БГТ от толщины базового слоя. На основе анализа функции распределения электронов в базе определены толщины базового слоя, в которых наблюдается квазмбаллястическия я чисто дяффузяоный перенос электронов. Проведено сравнение времени задержки в базовом слое, полученного в результате численного моделирования и расчета на основе глали-тяческях моделей.

Глава завершается параграфом, в котором формулируются краткие выводы.

Третья глава посвящена исследованию нестационарных электронных процессов в БГТ с различными коллекторными структурами.

В §3.1 дается обзор литературы, посвященный созданию и моделированию БГТ с различными профилями легирования коллекторного перехсща. Обсуждаются преимущества и недостатки однородно и не-однороднолегярояалных коллекторных переходов.

В §3.2 привидится подробное описание моделируемых структур. Анализируются полученные при моделировании распределения по структурам средних скоростей и относительных заселенностей долин электронного газа для различных напряжений холлектор-баэа. Исследуется зависимость величины емкости база-коллекторного перехода от параметре! коллекторной структуры, приложенного напряжения и величины плотности эмиттерного тока.

§3.3 посвяшен влиянию структуры коллекторного перехода на вы-

сокочастотные характеристики БГТ. В ходе исследования проводится сравнительный анализ функционирования трех транзисторов с различными мадафихадаями »коллекторного перехода, г также исследуются их высокочастотные свойства. В результате моделирования получены зависимости времени задержки база-коллекторного перехода и частоты отсечки транзистора от приложенного напряжения. 'Проведено сравнение вышеизложенных зависимостей с экспериментальными данными и с результатами, полученными из аналитических моделей.

В §3.4 исследуется зависимость высокочастотных свойств БГТ с однороднолегированиым и инвертированным коллектором от толщины коллекторного перехода. Показало, что для заданных величин последовательных сопротивлений коллектора, и эмиттера, определенных, главным образом, технологией изготовления структуры БГТ, существует оптимальная толщина коллектора, при которой достигается максимальное быстродействие.

§3.5 посвящен исследованию зависимости высокочастотных характеристик А11пАя/Са1пАз БГТ от параметров его структуры. Проводится сравнительный анализ частотных зависимостей номинального коэффициента усиления, максимально достиучмого коэффициента усиления, максимально устойчивого коэффициента усиления, коэффициента однонаправленного усиления, коэффициента усиления по тоху и коэффициента устоГ л воет и БГТ для различных величин пассивной и контактной емкостей база^коллекторного перехода. Выясняется влияние величины входного сопротивления БГТ на безусловную устойчивость транзистора, козффицченты усиления по мощности и по току.

Глава заканчивается параграфом 3.6, в котором формулируются краткие выводы.

В Заключении сформулированы основные выводы работы и положения, выносимые на защиту. . Впервые создан комплекс программ, позволяющий на основе кинетического подхода проводить исследования физических процессов в электронной плазме БГТ на основе полупроводниковых материалов типа ЛзВб, а также рассчитывать их электрические и высокочастотные характеристики.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Для А11пЛз/Оа1пАз БГТ с резким гетеропереходом на границе

элахттер-база с толщиной базового слоя меньше 0.06 мкм наблюдается квазибаллистический перенос электронов в базе, а для толщин базы более чем 0.2 мкм перенос злекторов в базе является чисто диффузионным.

2. В результате кинетического моделирования суб! ¿кронных

ЛЮаЛз/СаЛз БГТ с селективнолегировашшм коллектором было показано, что введение в структуру коллектора 6 — р+ -слоя приводит к увеличению частоты отсечки транзистора по сравнению с БГТ с одлороднолегированным коллектором и позволяет существенно снизить зависимость частоты отсечки от напряжения коллектор-база по сравнению с транзистором с коллектором на основе структуры » — р+ — п+.

3. Определяющим фактором, ограничивающим быстродействие БГТ

с селективнолегк -юванным коллектором, является эффективное время переноса электронов в обедненной области коллектора для

UuibUDTX значений коллекторного напряжения и время, связанное с зарядкой обед ненной области коллектора при мальгх коллекторных напряжениях. .

4. Зависимость частоты отсечки от толщины коллекторного перехода в БГТ с однорсднолегированным и инвертированным коллектором имеет максимум, и для заданных значений последовательных сопротивлений эмиттера и коллектора существует оптимальная толщина коллекторного перехода, при которой БГТ обладает максимальным быстродействием.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. G.Khreuov, V.Ryzhii and S.Kartashov "Simulation of HBTe and

HIGFETs based on AlGaAa/GaAa heterostructures", Techn. digest of Intern.Conf.on VLSI end CAD, Seoul, Korea, 1991, p.215.

2. Хренов Г.Ю., Карташова O.A., Карташов C.E. "Математиче-

ское моделирование перспективной элементной базы монолитных схем миллиметрового диапазона", Научно-технический отчет по теме "Эльф-91", ФТИАН СССР, Москва, 1991,110 стр.

3. G.Khrenov, V.Ryzhii, S.Kartashov "Monte Carlo simulation of

AlGaAs/GaA» HBTs with different collector structure", Proc. of Intern.Conf.of Microelectronics, Warsaw, Poland, 1992.

4. С.Картапгов, В.Рыжий, Г.Хренов "Исследование влияния струк-

туры коллекторного перехода на высокочастотные характеристики AlGaAa/GaAa биполярных гетероструктурных траази-. сторов", Микроэлектроника, 1993, Т.22, N. 1, С. 33-40.

5. С.К*рташов, В .Рыжий, Г.Хренов "Исследование зависимости высокочастотных свойств AlGaAs/GaA$ бшюдяркых гетерострук-турных траязхсхороа от толщины коллекторного перехода", ^шфомдофомика, 1993, Т.22, N. 3, С.83-90.

в. .С.Картапт», В.Рыжий, Г.Хреаов "Математическое моделирование субммхрониых биполярных гетероструктурных транзисторов", Физика- Технологический Институт Российской Академии Наук, Москла, Препринт 1993, N. 16,43 стр.

7. G.Khrenov, V.Ryzhii and S.Kartashov "AlGaAs/GaAa HBT collector

optimization for high frequency performance", Solid-State Electronics, 1994, V. 37, N. 1, Pp. 213-214. '

8. G.KhreBov, V.Ryzhii, S.Kartasbov "Ensemble Monte Carlo simulation

of the hot electron transport is the heterojunctioB bipolar transistors", Proceed, of the International Workshop on Computational Electronics, University of Leeds, England, 1993, Pp.203-213.

0. G.Khrenov, V.Ryzhii, S.Kartashov "Hot electrons in HBT base: transition from diffusive to noneqnilibrromtransport", Technical Digest of international Conference on VLSI and CAD, Korea, 1993, Pp. 412-415.

10. G.Khrenov, V.Ryzhii, S.Kartashov "Monte Carlo modeling of hot electrons relaxation in the base region of AlInAs/GalnAs hetero-junction bipolar transistors", Semiconductor Science and Technology, 1994, V, 9, N; 3, Pp. 329-332.

11. G.Khrenov, V.Ryzhii and S.Kartashov "Optimization of the

Proceed, of International Conference on Advanced Microelectronic devices and Processing, Japan, Sendai, 1994, pp.543-548.

12. G.Krenov, V.Ryzhii, S.Kartashov "Fourier analysis based method for heterojunction bipolar transistor high'frequency performance calculation", Jpn. Journal of Applied Physics, 1994, (Accept for public? tion).

AlGaAs/GaAs HBT structure for high-frequency performance",

MOTH 31.05.94. Hom. 3ak. fa6. THp. 100 3k3.