Деформационная инженерия

Деформационная инженерия относится к общей стратегии, используемой в производстве полупроводников для повышения производительности устройств. Преимущества производительности достигаются за счет модуляции деформации , например, в канале транзистора , что увеличивает подвижность электронов (или подвижность дырок) и, следовательно, проводимость через канал. Другим примером являются полупроводниковые фотокатализаторы, созданные методом деформации для более эффективного использования солнечного света.

В производстве КМОП

, сообщили об использовании различных методов механического проектирования Многие известные производители микропроцессоров , включая AMD , IBM и Intel , в первую очередь в отношении технологий менее 130 нм. Одним из ключевых соображений при использовании технологии деформации в технологиях КМОП является то, что PMOS и NMOS по-разному реагируют на разные типы деформации. В частности, производительность PMOS лучше всего достигается за счет приложения к каналу напряжения сжатия, тогда как NMOS получает выгоду от напряжения растяжения. Многие подходы к инженерии деформации вызывают локальную деформацию, позволяя независимо модулировать как n-канальную, так и p-канальную деформацию.

Один из известных подходов предполагает использование вызывающего деформацию верхнего слоя. Нитрид кремния, полученный методом CVD, является распространенным выбором в качестве деформируемого верхнего слоя, поскольку величину и тип деформации (например, растяжение или сжатие) можно регулировать путем регулирования условий осаждения, особенно температуры. Стандартные методы нанесения литографического рисунка можно использовать для выборочного нанесения вызывающих деформацию покрывающих слоев, например, для нанесения сжимающей пленки только на PMOS.

Покрывающие слои являются ключом к подходу Dual Stress Liner (DSL), о котором сообщает IBM-AMD. В процессе DSL нанесения рисунка и литографии для выборочного нанесения растягиваемой пленки нитрида кремния на NMOS и сжимающей пленки нитрида кремния на PMOS. используются стандартные методы

Второй известный подход предполагает использование богатого кремнием твердого раствора, особенно кремний- германия , для модуляции деформации канала. Один из методов производства включает эпитаксиальный рост кремния поверх релаксированного кремний-германиевого подслоя. В кремнии возникает растягивающая деформация, поскольку решетка кремниевого слоя растягивается, чтобы имитировать большую постоянную решетки нижележащего кремния-германия. И наоборот, деформацию сжатия можно вызвать, используя твердый раствор с меньшей постоянной решетки, например кремний-углерод. См., например, патент США № 7023018. Другой тесно связанный метод включает замену области истока и стока полевого МОП-транзистора на кремний-германиевый.

В тонких пленках

Деформация может быть вызвана в тонких пленках либо эпитаксиальным ростом, либо, в последнее время, топологическим ростом.

Эпитаксиальная деформация в тонких пленках обычно возникает из-за несоответствия решеток пленки и ее подложки и перестройки тройного стыка на поверхности тройного стыка, которая возникает либо в процессе роста пленки, либо из-за несоответствия теплового расширения. Настройка этой эпитаксиальной деформации может быть использована для смягчения свойств тонких пленок и индукции фазовых переходов. Параметр несоответствия ( $f$) определяется уравнением ниже:

$f=(a_{s}-a_{e})/a_{e}$

где $a_{e}$ – параметр решетки эпитаксиальной пленки, $a_{s}$ – параметр решетки подложки. После некоторой критической толщины пленки становится энергетически выгодным снять некоторую деформацию несоответствия за счет образования дислокаций несоответствия или микродвойников. Дислокации несоответствия можно интерпретировать как оборванную связь на границе раздела слоев с разными постоянными решетки. Эта критическая толщина ( $h_{c}$) было вычислено Мэтьюзом и Блейксли как:

$h_{c}={\frac {b(2-\nu cos^{2}\alpha )[ln(h_{c}/b)+1]}{8\pi |f|(1+\nu )cos\lambda }}$

где $b$ длина вектора Бюргерса, $\nu$ - коэффициент Пуассона, $\alpha$ – угол между вектором Бюргерса и линией дислокации несоответствия, $\lambda$ – угол между вектором Бюргерса и вектором, нормальным к плоскости скольжения дислокации. Равновесная плоскостная деформация для тонкой пленки толщиной ( $h$), что превышает $h_{c}$ тогда определяется выражением:

$\epsilon _{||}={\frac {f}{|f|}}{\frac {b(1-\nu cos^{2}(\alpha )[ln(h/b)+1]}{8\pi |f|(1+\nu )cos\lambda }}$

Релаксация деформации на границах раздела тонких пленок посредством зарождения и размножения дислокаций несоответствия происходит в три стадии, которые различаются по скорости релаксации. На первой стадии преобладает скольжение уже существовавших дислокаций и характеризуется медленной скоростью релаксации. Вторая стадия имеет более высокую скорость релаксации, которая зависит от механизмов зарождения дислокаций в материале. Наконец, последняя стадия представляет собой насыщение релаксации деформации вследствие деформационного упрочнения.

Деформационная инженерия хорошо изучена в сложных оксидных системах, в которых эпитаксиальная деформация может сильно влиять на связь между спиновыми, зарядовыми и орбитальными степенями свободы и тем самым влиять на электрические и магнитные свойства. Было показано, что эпитаксиальная деформация вызывает переходы металл-диэлектрик и сдвигает температуру Кюри для перехода из антиферромагнитного в ферромагнитное состояние. ${\ce {La_{1-x}Sr_{x}MnO_{3}}}$. Было обнаружено, что в тонких пленках сплавов эпитаксиальная деформация влияет на спинодальную нестабильность и, следовательно, влияет на движущую силу фазового разделения. Это объясняется связью между приложенной эпитаксиальной деформацией и зависящими от состава упругими свойствами системы.

Совсем недавно исследователи добились большей деформации в толстых оксидных пленках, чем та, которая достигается при эпитаксиальном выращивании, за счет использования наноструктурированных топологий (Гуэрра и Везенов, 2002). и наностержни/наностолбики внутри матрицы оксидной пленки. После этой работы исследователи со всего мира создали такие самоорганизующиеся, фазоразделенные структуры наностержней/наностолбиков в многочисленных оксидных пленках, как описано здесь. В 2008 году Тулин и Герра опубликовали расчеты зонных структур анатаза и титана, модифицированных деформацией, которые включали указанную более высокую подвижность дырок с увеличением деформации. Кроме того, в двумерных материалах, таких как WSe
_{Было показано, что штамм 2} вызывает преобразование непрямого полупроводника в прямой полупроводник, что позволяет в сто раз увеличить скорость излучения света.

В светодиодах III-N

Тензийная инженерия играет важную роль в светодиодах III-N , одной из самых распространенных и эффективных разновидностей светодиодов, которая приобрела популярность только после Нобелевской премии по физике 2014 года . В большинстве светодиодов III-N используется комбинация GaN и InGaN , причем последний используется в качестве области квантовой ямы . Состав In внутри слоя InGaN можно настроить для изменения цвета света, излучаемого этими светодиодами. Однако эпислои квантовой ямы светодиода по своей природе имеют несовпадающие постоянные решетки , что создает напряжение между слоями. Из-за квантово-ограниченного эффекта Штарка (QCSE) волновые функции электрона и дырки не совпадают внутри квантовой ямы, что приводит к уменьшению интеграла перекрытия, уменьшению вероятности рекомбинации и увеличению времени жизни носителей. Таким образом, приложение внешней деформации может свести на нет внутреннюю деформацию квантовой ямы, сократив срок службы носителей и сделав светодиоды более привлекательным источником света для связи и других приложений, требующих высоких скоростей модуляции.

При соответствующей технологии деформации можно выращивать светодиоды III-N на подложках Si. Этого можно достичь с помощью шаблонов со сниженной деформацией, сверхрешеток и псевдоподложек. Кроме того, металлические подложки с гальваническим покрытием также показали многообещающую возможность применения внешнего уравновешивающего напряжения для повышения общей эффективности светодиодов.

В светодиодах DUV

В дополнение к традиционному проектированию деформации, которое происходит со светодиодами III-N, светодиоды глубокого ультрафиолета (DUV), в которых используются AlN , AlGaN и GaN , подвергаются переключению полярности с TE на TM при критическом составе Al в активной области. Переключение полярности происходит из-за отрицательного значения , AlN расщепления кристаллического поля что приводит к характеру переключения его валентных зон при этом критическом составе Al. Исследования установили линейную связь между этим критическим составом в активном слое и составом Al, используемым в области шаблона подложки, что подчеркивает важность деформации деформации в характере света, излучаемого светодиодами DUV. Кроме того, любое существующее несоответствие решеток приводит к расслоению фаз и шероховатости поверхности, а также к созданию дислокаций и точечных дефектов . Первое приводит к локальной утечке тока, а второе усиливает процесс безызлучательной рекомбинации устройства , одновременно снижая внутреннюю квантовую эффективность (IQE). Толщина активного слоя может вызвать изгиб и аннигиляцию пронизывающих дислокаций, шероховатость поверхности, расслоение фаз, образование дислокаций несоответствия и точечных дефектов . Все эти механизмы конкурируют при разной толщине. Задерживая накопление деформации, чтобы она росла в более толстом эпислое до достижения целевой степени релаксации, можно уменьшить некоторые побочные эффекты.

В наноразмерных материалах

Обычно максимальная упругая деформация, достижимая в обычных сыпучих материалах, находится в диапазоне от 0,1% до 1%. Это ограничивает нашу способность эффективно изменять свойства материала обратимым и количественным образом с помощью деформации. Однако недавние исследования наноматериалов показали, что диапазон упругих деформаций гораздо шире. Даже самый твердый материал в природе, алмаз , демонстрирует равномерную упругую деформацию до 9,0% на наноуровне. В соответствии с законом Мура полупроводниковые устройства постоянно уменьшаются в размерах до наномасштабов. С концепцией «чем меньше, тем сильнее», Технология упругой деформации может быть полностью использована на наноуровне.

В наномасштабной технологии упругой деформации кристаллографическое направление играет решающую роль. Большинство материалов анизотропны, то есть их свойства меняются в зависимости от направления. Это особенно актуально в технике упругих деформаций, поскольку приложение деформации в различных кристаллографических направлениях может оказать существенное влияние на свойства материала. На примере алмаза моделирование с помощью теории функционала плотности (DFT) демонстрирует различное поведение в скорости уменьшения ширины запрещенной зоны при растяжении в разных направлениях. Деформация в направлении <110> приводит к более высокой скорости уменьшения запрещенной зоны, тогда как деформация в направлении <111> приводит к меньшей скорости уменьшения запрещенной зоны, но к переходу от непрямой запрещенной зоны к прямой. Подобный переход из непрямой в прямую запрещенную зону можно наблюдать в деформированном кремнии . Теоретически достижение этого перехода из непрямой в прямую запрещенную зону в кремнии требует деформации более 14% одноосной деформации.

В 2D материалах

В случае упругой деформации при превышении предела возникает пластическая деформация за счет скольжения и движения дислокаций в микроструктуре материала. Пластическая деформация обычно не используется в деформационной инженерии из-за сложности контроля ее однородности. На пластическую деформацию больше влияет локальная деформация, чем глобальное поле напряжений, наблюдаемое при упругой деформации. Однако 2D-материалы имеют более широкий диапазон упругих деформаций по сравнению с объемными материалами, поскольку в них отсутствуют типичные механизмы пластической деформации, такие как скольжение и дислокация. Кроме того, в двумерных материалах легче применить деформацию в определенном кристаллографическом направлении по сравнению с объемными материалами.

Недавние исследования показали значительный прогресс в деформационной инженерии 2D-материалов с помощью таких методов, как деформация подложки, вызывая рябь материала, и создание асимметрии решетки. Эти методы приложения деформации эффективно улучшают электрические, магнитные, тепловые и оптические свойства материала. Например, в ссылке при этом оптическая щель монослоя и бислоя MoS2 уменьшается со скоростью примерно 45 и 120 мэВ/% соответственно при одноосной деформации 0–2,2%. Кроме того, интенсивность фотолюминесценции монослоя MoS2 снижается при деформации 1%, что указывает на переход из непрямой зоны в прямую. Ссылка также демонстрирует, что рябь в черном фосфоре, вызванная деформацией, приводит к изменениям ширины запрещенной зоны от +10% до -30%. В случае ReSe2 в литературе показано образование локальных морщинистых структур при расслаблении подложки после растяжения. Этот процесс сворачивания приводит к красному смещению пика спектра поглощения, что приводит к увеличению поглощения света и изменениям магнитных свойств и запрещенной зоны. Исследовательская группа также провела испытания кривой IV на растянутых образцах и обнаружила, что растяжение на 30% приводит к более низкому сопротивлению по сравнению с нерастянутыми образцами. Однако растяжение на 50% показало противоположный эффект с более высоким сопротивлением по сравнению с нерастянутыми образцами. Такое поведение можно объяснить сворачиванием ReSe2, причем складчатые области особенно слабы.

См. также

• Напряженный кремний