ОПрЭКБ лабы / Актуальные методы / 122 Пр ПР_БЧ ОП ЭКБ. ПРАКТИКА 07

Основы проектирования ЭКБ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ SYNOPSYS TCAD

1. Полупроводниковый резистор на полуизолирующей подложке GaAs

Моделирование полупроводникового резистора, изготовленного на полуизолирующей подложке из GaAs будем рассматривать без учёта эффектов генерации и рекомбинации носителей заряда в структуре.

Резистор представляет собой равномерно легированный эпитаксиальный слой GaAs толщиной 0,1 мкм, выращенный на полуизолирующем буферном слое GaAs p-типа с концентрацией 1014 см–3. Для создания хорошего омического контакта области прилегающие к истоку и стоку легированы до уровня 1019 см–3 с. Для уменьшения геометрических размеров структуры сама полуизолирующая подложка не рассматривается.

Целью моделирования является получение вольт-амперных характеристик резистора, а также расчет распределения напряженности электрического поля в структуре для определения места, где вероятнее всего произойдет электрический пробой структуры.

1.1.Создание нового проекта и задание структуры устройства

1.1.1Запустите Sentaurus Structure Editor (SDE).

1.1.2Активируйте окно отображения размерной сетки на рабочем поле (View > Grid). В появившемся окне оставьте все значения по умолчанию и нажмите кнопку Show. Включите режим отображения объектов в отрицательной полуплоскости (View > Camera Views > X(-Y)). Для того, чтобы самостоятельно задавать имена всех вновь созданных объектов снимите галочку с пункта Auto Region Naming меню Draw. Для удобства работы с модулем Sentaurus Device Editor следует также включить режим задания объектов по вводимым вручную координатам (Draw > Exact Coordinates).

1.2.1 Для задания границ устройства выберите в качестве материала арсенид галлия (GaAs) и нарисуйте на рабочем поле произвольных размеров прямоуголь-

ник (Draw > 2D Create Tools > Rectangular Region). В появившемся диалоговом окне в качестве левой верхней (First Vertex) и правой нижней (Second Vertex) вершин прямоугольника задайте две пары значений (0; 0) и (3; 2). В следующем диалоговом окне, появившемся после задания координат, введите имя созданного объекта region_GaAs_bulk. Данная прямоугольная область представляет собой сечение прибора в плоскости X–Y.

1.2.2 После создания основной области прибора необходимо разметить на структуре области канала, где будет локализован ток, а также прилегающих к контактам областей дополнительного подлегирования для реализации их невыпрямляющих свойств. Для этого выберите в пункте меню Mesh > Define Ref/EvalWindow > Rectangle и задайте прямоугольную область с углами в точках (0; 0) и (3; 0.1) – это

Основы проектирования ЭКБ

будет область канала. Обратите внимание: поле для ввода имен объектов класса Reference находится одном в диалоговом окне с полями для ввода их координат. Укажите для созданной области имя RefEvalWin_Channel.

1.2.3Для задания областей, прилегающих к стоку и истоку, проделайте ту же процедуру, создав прямоугольные области с координатами (0; 0), (0.5; 0.3)

и(2.5; 0), (3; 0.3) и присвоив этим областям имена RefEvalWin_Source и RefEvalWin_Drain соответственно.

1.3.1После того как обозначены границы устройства и областей следует задать распределения концентраций легирующих примесей по структуре, в частности, уровни легирования областей канала и омических контактов, а также уровень легирования полуизолирующей области структуры. Для этого выберите пункт меню Device > Constant Profile Placement. В открывшемся диалоговом окне в поле

Placement Name введите имя ConstantProfilePlacement_Background для нижеследующе-

го набора параметров.

1.3.2В секции Placement Type выберите Region > region_GaAs_bulk, выбрав таким образом, в качестве объекта легирования всю прямоугольную область по п. 1.2.1.

1.3.3В поле Name секции Constant Profile Definition задайте имя Background и концентрацию (Concentration) 1e14, в поле Species при этом следует оставить BoronActiveConcentration, так как данная примесь является акцептором в арсениде галлия. Нажмите кнопку Add Placement, после чего будет создан профиль фонового легирования структуры.

1.3.4Для создания профиля легирования канала измените имя Placement Name созданного набора параметров на ConstantProfilePlacement_Channel

1.3.5В секции Placement Type установите флажок на поле Ref/Win, а напротив него из выпадающего списка выберите пункт RefEvalWin_Channel. В поле Constant Profile Definition задайте имя Channel, в качестве легирующей примеси

(Species) выберите ArsenicActiveConcentration (является донором в арсениде галлия) и задайте концентрацию 3.5e17.

1.3.6 Уровни легирования областей, прилегающих к омическим контактам, задайте самостоятельно, для чего повторите выполнение п. 3.4 – 3.5, задавая в полях

Placement Name имена ConstantProfilePlacement_Source и ConstantProfilePlacement_Drain и

выбирая в выпадающем меню Ref/Win секции Placement Type ранее созданные объекты с названиями RefEvalWin_Source и RefEvalWin_Drain соответственно. Обратите внимание, что, поскольку тип легирующей примеси и ее концентрация в этих областях должны быть одинаковыми, при задании легирования в этих областях в поле Constant Profile Definition можно задать одно имя, например, Source_and_Drain. Закройте окно

Constant Profile Placement по нажатию кнопки Close.

1.4.1 Когда уровни легирования всех вышеозначенных областей заданы, следует задать параметры генерации расчетной сетки. Для снижения ресурсоемкости задачи ограничимся заданием грубой сетки в объеме полуизолирующего буферного слоя и второй, более детальной сетки в области активного слоя. Для того чтобы задать параметры сетки в какой-либо области устройства, необходимо выбрать пункт меню Mesh > Refinement Placement.

Основы проектирования ЭКБ

1.4.2 В открывшемся диалоговом окне, по аналогии с процессом создания профиля легирования, следует задать имя создаваемой сетки (Placement Name), задать область, в которой эта сетка будет расположена (Placement Type) и указать имя в поле Refinement Definition. Имена в полях Placement Name и Placement Type окна

Refinement Specification должны совпадать с именами в аналогичных полях окна задания профиля легирования. В качестве области выберите Region > region_GaAs_bulk. Для задания грубой сетки в объеме арсенида галлия следует ввести размеры максимального и минимального шага сетки в направлениях осей X и Y (Max Element Size и Min Element Size). Максимальный и минимальный шаги в каждом направлении задайте 0.05. Для задания сетки следует нажать кнопку Create Refinement.

1.4.3 Самостоятельно задайте мелкую сетку в области Ref/Eval Window > RefEvalWin_Channel с со следующими максимальным и минимальным шагами в направлениях осей X и Y:

Для оси X: Max Element Size – 0.1, Min Element Size – 0.05; Для оси Y: Max Element Size – 0.01, Min Element Size – 0.01.

1.5.1 Завершающим шагом создания структуры является задание контактных областей. Для того чтобы добавить контактные области на верхнюю часть канала резистора, необходимо обозначить размеры этих областей. Для отделения областей контактов от остальной поверхности канала добавьте в структуру две дополнительные вершины (Edit > 2D Edit Tools > Add Vertex) с координатами (0.5; 0) и (2.5; 0).

1.5.2 Вызовите диалоговое окно со свойствами контактов (Contacts > Contact Sets) и в поле Contact Name введите имя контакта source. Цифры в полях Edge Color следует оставить без изменений, и для создания контакта нажмите кнопку Set. Выберите созданный контакт в поле слева и нажмите кнопку Activate. Закройте диалоговое окно.

1.5.3 Для задания местоположения контакта установите уровень выделения – края полигона (Selection Level > Edge в контекстном меню), выберите верхний край области истока (после выбора область выделяется толстой оранжевой линией) и нажмите Contacts > Set Contact – выделенная область должна окраситься в красный цвет, таким образом выделенному отрезку присваиваются свойства контакта.

1.5.3 Аналогичным образом создайте контакт с именем drain к стоковой области транзистора, комбинацию цифр в поле Edge Color следует выставить (1, 1, 0). Созданный контакт должен иметь желтый цвет.

1.6.1После того как структура создана, необходимо ее сохранить. Выберите пункт меню File > Save Model. Введите в качестве имени сохраняемого файла «resistor», при этом расширение «.sat» будет присвоено файлу автоматически.

1.6.2Для генерации файла сетки resistor_msh.tdr запустите генератор сетки Mesh > Build Mesh. В открывшемся диалоговом окне следует оставить все параметры без изменений и нажать кнопку Build Mesh. По окончании процесса генерации сетки автоматически откроется окно модуля визуализации результатов расчетов SVisual, где будет отображена созданная структура.

1.6.3Закройте модуль Sentaurus Structure Editor.

Основы проектирования ЭКБ

1.2. Создание командного файла Sentaurus Device

После того как задана структура устройства и создана расчетная сетка, на которой будет решаться ФСУ, необходимо написать командный файл для его исполнения модулем Sentaurus Device.

Чтобы упростить процедуру создания командного файла, можно использовать в качестве шаблона следующий код:

File {

Grid = “resistor_msh.tdr” Plot = “plot.tdr”

Current = “current.plt” Output = “logfile”

}

Electrode {

{Name= “source” Voltage=0.0 }

{Name= “drain” Voltage=0.0}

}

Physics {

Mobility (DopingDependence HighFieldSat Enormal) EffectiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowing (OldSlotboom))

}

Plot {

eDensity hDensity eCurrent hCurrent Potential SpaceCharge ElectricField eMobility hMobility eVelocity hVelocity

Doping DonorConcentration AcceptorConcentration

}

Math { Extrapolate RelErrControl

}

Solve {

#-initial solution: Poisson

Coupled { Poisson Electron }

#-ramp gate: Quasistationary (

InitialStep = 1e-5 MaxStep = 1e-2 MinStep = 1e-9 Goal{ Name = “drain” Voltage= 5 } )

{ Coupled { Poisson Electron } }

}

Откройте текстовый редактор, скопируйте вышеприведенный код и сохраните его в рабочей папке под именем command_resistor.cmd. Запустите процесс моделирования, для чего откройте в рабочей папке Terminal и в командной строке введите sdevice command_resistor.cmd.

1.3. Результаты моделирования

Для просмотра результатов расчета вызовите из командной строки терминала программу SVisual и постройте график зависимости стокового тока от напряжения «сток-исток», для чего:

1.3.1Откройте файл “current.plt” (File > Open)

1.3.2Выделите загруженный набор данных в верхнем окне поля Selection

1.3.3В выбранном наборе данных выделите строку drain, содержащую массивы с токами и напряжениями на данном контакте

Основы проектирования ЭКБ

1.3.4Выберите переменную OuterVoltage и нажмите кнопку To X-Axis, чтобы присвоить оси X значения из массива напряжений на контакте drain.

1.3.5Проделайте аналогичную процедуру с переменной TotalCurrent, присво-

ив значения массива полного тока оси Y (по нажатию кнопки To Left Y-Axis)

1.3.6 Построенный график должен качественно быть схож с приведенным на рисунке 6.1.

Нетрудно убедиться, что полученная кривая имеет омический участок и участок насыщения, т.е. полностью соответствует ВАХ полупроводникового резистора.

Рисунок 6.1 – Окно модуля SVisual с рассчитанной ВАХ полупроводникового резистора

Чтобы отобразить распределение напряженности электрического поля по структуре, откройте в SVisual файл “plot.tdr”. В секции Plot Properties, расположенной на панели слева, снимите галочку с опции Interchange Axes. В секции Scalars выберите переменную с именем ElectricField (рис. 6.2). Как видно из рисунка, максимальная напряженность электрического поля располагается в области стока, именно в этом месте и начнет происходить пробой структуры.

Основы проектирования ЭКБ

Рисунок 6.2 – Расчетное распределение напряженности электрического поля

Чтобы визуализировать распределение переменных по сечению структуры вдоль оси Y следует выбрать пункт меню Tools > Cut X (или, аналогично, Tools > Cut Y – для получения сечения вдоль оси X) и один раз кликнуть по структуре в месте, где следует рассечь структуру. Постройте самостоятельно распределение концентрации электронов (переменная eDensity) вдоль оси Y в центральной области структуры.

1.4. Задания для самостоятельного выполнения

1) С использованием встроенного в SVisual редактора формул, вызываемого по нажатию кнопки New Variable, построить зависимость сопротивления изучаемой структуры от прикладываемого к стоку напряжения. Оценить сопротивление такой структуры аналитически. При расчетах считать, что проводимость в канале резистора осуществляется только за счет основных носителей, длина канала равна расстоянию между внутренними краями истокового и стокового электродов, величину подвижности носителей считать равной 300 см2/(В·с), толщину структуры вдоль оси Z считать равной 1 мкм. Объяснить в выводах причину расхождения оценочной величины с результатом расчета.

2) Провести расчет ВАХ резистора, исключив из командного файла модель эффекта насыщения скорости носителей в сильном электрическом поле (HighFieldSaturation). Сравнить вольтамперные характеристики резистора с учетом и без учета этого эффекта и в выводах дать физическую интерпретацию механизму влияния данного эффекта на физику работы прибора.

Основы проектирования ЭКБ

Как видно из рисунка, ток остается малым до значений прямого напряжения 0,5–0,6 В. После того как прямое напряжение становится больше высоты барьера Шоттки (0,7 В), ток через диод начинает резко возрастать. Нетрудно убедиться, что полученная ВАХ соответствует ВАХ диода (рис. 6.3).

Для детального рассмотрения области контакта металл – полупроводник с помощью программного модуля SVisual откройте файлы с расширением *.tdr. В указанных файлах содержатся результаты расчета величин, распределенных по структуре (концентраций носителей заряда, плотностей тока, напряженности электрического поля, потенциала и т.д.). Выведите на экран значение переменной eDensity (рис. 6.4).

Рисунок 6.4 – Окно модуля SVisual с расчетными концентрациями электронов для обратного (слева) и прямого (справа) включения диода

Как видно из рисунков, при отрицательном смещении под контактом gate образовалась область обеднения, где концентрация электронов составляет менее 105 см–3, тогда как при положительном смещении концентрация основных носителей под контактом примерно равна концентрации легирующей примеси.

Основы проектирования ЭКБ

2.4. Задания для самостоятельного выполнения

Изучить влияние концентрации легирующей примеси в канале на вид прямой вольтамперной характеристики диодной структуры посредством проведения серии расчетов с различными ее величинами. Для проведения расчетов рекомендуются значения вдвое больше и вдвое меньше исходного. Результаты расчетов привести в отчете и дать физическую интерпретацию полученным зависимостям.