新技术实现微电子器件电子结构可视化

科技日报伦敦7月20日电（记者田学科）英国华威大学和美国华盛顿大学的研究人员开发了一种技术，首次将微电子器件中的电子结构可视化，这为制造二维半导体及精密协调的高性能微电子设备打开了大门。

材料的电子结构描述了电子在该材料内的行为，从而反应出流经该材料的电流的性质。这种行为会随着施加在材料上电压的大小而变化，随着电压变化而变化的电子结构决定了微电子电路的效率。操作装置中电子结构的变化是现代所有电子产品的基础，但到目前为止，还没有办法直接看到这些变化的具体情况，来帮助人们理解它们是如何影响电子行为的。

为了能够直观地观察研究微电子器件中电子的行为轨迹，优化微电子器件的功能，研究人员开发了一种新技术，用它可以在操控只有原子厚度的所谓二维材料制成的微电子器件时，测量电子的能量和动量；进而利用这些信息，对材料的光电特性进行可视化表达。该技术使用角度分辨光发射光谱(ARPES)来“激发”选定材料中的电子，通过将一束紫外线或X射线聚焦在一个特定区域的原子上，受到激发的电子就会从原子中被击出。然后，研究人员可以测量该电子的能量和运动方向，从而计算出它们在材料中所具有的能量和动量，由此决定了这种材料的电子结构。然后可以将其与理论预测进行比较，而理论预测是基于最先进的电子结构计算得出的。

研究人员认为，这项技术使得微电子器件电子结构可视化，让人们获得设计更高性能元器件所需的信息，从而制造出工作效率更高、能耗更低的电子元器件。还有助于开发二维半导体，这些半导体被视为下一代电子产品的潜在组件，在柔性电子、光电和自旋电子学中有着广泛的应用。该项由实验主导的研究成果发表在近期出版的《自然》杂志上。

微电子材料和器件中的噪声和缺陷

编辑 | 慢纪硬核说

介绍

金属薄膜与载流子缺陷散射 相关的迁移率波动会导致噪声。相比之下，对于大多数半导体器件来说，噪声通常是由于沟道和缺陷之间的电荷交换 引起的载流子数量波动造成的。

Dutta-Horn模型在大多数情况下都能高精度地描述噪声。通过总电离剂量辐照或热退，可以深入了解导致微电子材料 和器件中产生噪声的物理机制 。

在Dutta-Horn模型的帮助下，测量噪声幅度以及噪声的温度或电压依赖性 可以估计导致噪声的缺陷的能量分布。

该技术首先用于帮助理解金属薄膜的噪声，然后分析基于硅和化合物半导体的微电子器件 的噪声设备和材料。

背景和原理

该模型描述了在高温下退火的高缺陷密度器件的噪声的幅度、温度依赖性 和频率依赖性 的变化，以及受到电离辐射的金属膜的噪声。

这些结果提供了强有力的证据，表明大多数金属薄膜的噪声是由热激活载流子缺陷相互作用引起的，导致载流子迁移率 波动。

实验数据和Dutta-Horn模型之间的这种普遍一致性 的例外情况主要针对薄膜（例如Ni、Cr），其中磁相互作用主导缺陷散射 。

还对基于硅和碳化硅的MOS晶体管的模型预测进行了一系列广泛的比较。同样，Dutta-Horn模型很好地描述了噪声的温度 和频率依赖性 。压倒性的证据证实，半导体器件中的主要噪声源是载流子与缺陷的热激活相互作用。

对于一阶，噪声是由载流子数量波动引起的，而不是晶格散射 （迁移率波动）。Dutta-Horn模型可用于推断导致噪声的缺陷的能量分布。

在参数和实验不确定性范围内 ，这些估计与通过其他测量技术获得的缺陷密度的估计是一致的。

在某些情况下，密度泛函理论计算可以深入了解导致半导体器件 噪声的缺陷的微观结构 。还简要讨论了双极结型晶体管 的噪声。

研究过程

2.1金属薄膜和金属丝

在室温下测量的铂纳米线的低频噪声如图1所示。这里的前提是0.002赫兹<f<100赫兹 。图1中的低频限值由测量时间决定，高频限值由测量时间 的相对大小 决定。噪声幅度 随着样本量的减少 而呈反比增加。

金属薄膜噪声的幅度 和频率依赖性 会随着温度的变化而剧烈变化。Dutta-Horn模型证明，如果噪声是由随机热激活过程引起的，且该过程具有相对性，不一定是近似常数 ，而噪声的频率 和温度依赖性 通过相关下式计算：

图2显示了长而窄的电阻银条的噪声。在图2（a）中，归一化噪声幅度被绘制为温度的函数 。在图2（b）中，将测得的频率依赖性与方程的预测进行了比较。

在误差线内，观察到合理的一致性 。请注意，对于低于图2（a）中峰值的温度，导数是积极的。在图2（b）中，α在此温度范围内大于1。

因为α随着温度的变化，图2（a）中噪声与温度曲线中峰值温度 的位置随着测量频率的变化而变化。峰值附近噪声与温度的关系的详细图如图3（a）所示：F=5赫兹和F=50赫兹 。

图3（b）绘制了噪声峰值温度随测量频率 的变化，结果与方程式一致。

也就是说，较高的测量频率导致噪声幅度峰值的温度较高 。这些结果证明了Dutta-Horn模型的内部自洽性 ，并为金属薄膜噪声是由缺陷引起的提供了强有力的旁证。

在接下来的多年来，进行了大量研究来评估Dutta-Horn模型描述的金属的噪音。图4显示了直径为53nm 的纳米线经过三个加热和冷却循环后噪声大小的温度依赖性 。

通过对低温下安德森局域化或电子-电子相互作用的研究可知，这些导线在加热到300K 以上时电阻会降低，因为缺陷会被退火和或作为杂质，最有可能来自制造中使用的溅射工艺已被删除。

通过图4中的加热循环观察到噪声和电阻率的显著降低。此外，图5表明Dutta-Horn模型准确地描述了频率依赖性 的变化α发生的情况。这提供了强有力的证据表明金属的噪音是由缺陷或杂质引起的。

对各种金属薄膜的噪声幅度与缺陷或杂质散射引起的电阻率分数进行了全面比较，如图6所示。相对电阻比定义为R=ρ/(ρ−ρL） ，在哪里ρ是总电阻率 ，ρL是由于声子（晶格）散射 而产生的分量。

这有力地肯定了金属薄膜的噪声主要是由缺陷或杂质引起的，结果如图7。相关研究令人信服地排除了晶格散射 对金属噪声的重要作用。

图8提供了强有力的证据，证明薄金属薄膜和导线的低频噪声主要是由于载流子与缺陷或杂质的相互作用引起的载流子迁移率 波动造成的。

在此处显示的所有情况以及文献中的大多数情况下，Dutta-Horn模型很好地描述了噪声。铁磁性（例如Ni）和反铁磁性（例如Cr）存在例外。在Ni中，噪声主要是磁畴排序的波动；Cr的噪声归因于自旋密度波域极化 的旋转。

2.2MOS晶体管

尽管Dutta和Horn模型是为了描述金属薄膜的噪声而开发的，但这种噪声主要是由载流子迁移率的波动引起的方程，本质上是相当普遍的。

在过去多年来，该模型也已成功应用于半导体器件 。尽管已经提供了其他解释，但证据（包括此处审查的证据）压倒性地表明载流子数量波动与缺陷或杂质的捕获和发射相关，并且不是迁移率波动 ，是迄今为止半导体器件中低频噪声 的最重要来源。

图9显示了Dutta-Horn模型的初始测试之一。在图9（a）中，将蓝宝石上硅霍尔棒测试结构 的噪声幅度绘制为温度的函数。噪声的频率依赖性如图9（b）所示，并与Dutta-Horn模型的预测进行比较，观察到极好的一致性。

相关学者研究证明，这些结构的噪声不能通过其原始形式的数波动模型 定量描述，其中电荷载流子隧道进出氧化物中的陷阱。

图10显示了电阻波动与栅极电压 和温度 的函数关系 。在最低温度下，只有一个突出的陷阱处于活动状态，这会导致器件电阻发生巨大变化。

这些设备和条件的噪声功率谱密度是洛伦兹形式。随着温度升高，电阻切换速率变得更快 ，并且更多的陷阱变得活跃 。对于更高的温度或更大的设备，不会观察到离散电阻波动。

2.3绝缘体上硅和多栅极器件

绝缘体上硅晶圆上构建的MOS晶体管 的噪声可能比体晶圆上其他等效晶体管的噪声更大 ，因为与栅极氧化物相比，埋沟道或侧壁氧化物通常具有更高的缺陷密度。

图11显示了开发的示意图。该图表明，部分耗尽SOI晶体管、体晶体管和带有累积背栅的完全耗尽SOI晶体管通常表现出相对较低 的噪声水平。

在这些情况下，与掩埋氧化物中的缺陷的电荷交换受到限制。对于背栅处于耗尽状态的FDSOI晶体管或超薄膜 或多栅极晶体管 ，可以观察到相对较高 的噪声水平。

然而，双栅极器件可以表现出“体积反转” ，其中横向或背栅可以导致电流优先在主体中流动，远离界面，从而减少表面散射和载流子缺陷相互作用。

浮体效应会增加部分耗尽设备的噪声。例如，图12显示了由偏置电流归一化的均方根电流噪声，作为在晶圆上构建的部分耗尽SOI晶体管的漏极偏置的函数 ，背栅偏置强烈影响这些器件的噪声。

当漏极偏置在1.0V〜1.5V 范围内时，噪声可以大大增强 。这是由碰撞电离引起的“扭结区域”，导致体内电荷积聚。

在此偏置范围内，体内发生的电荷密度随时间的波动会导致表面电势的相应变化，从而导致沟道电阻的变化。

这种与扭结相关的噪声增强 不会发生在完全耗尽的器件中，因为体电势处于完全栅极控制之下。

总结和结论

模型为开发的噪声现已经过评估，发现可以很好地描述各种材料和几种不同类型 的半导体器件的响应。其中包括金属薄膜 、硅和碳化硅 。

这些研究得出的压倒性结论是，微电子材料中低频噪声的主要来源是载流子-缺陷相互作用，导致器件中载流子数量的波动。

缺陷电荷状态的变化也会影响散射率。 有效缺陷密度的一阶估计可以使用最初开发的简单噪声数波动模型来获得，这可以直接应用于在线性模式下工作的MOS晶体管。

采用Dutta-Horn或数量波动模型噪声使人们能够获得MOS晶体管相关有效缺陷能量分布的估计，该分布与通过其他技术获得的估计一致，误差范围 为在允许范围内。

参考文献

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