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半导体器件:载流子迁移率提升

2025/08/25
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半导体器件中,载流子迁移率直接影响载流子的漂移速度和导电能力,是决定器件电流驱动能力、开关速度以及功耗的核心物理参数。

迁移率越高,同样的沟道长度和电场下,载流子的漂移速度越快,源漏之间的电流更大,从而让晶体管具备更高的驱动能力和更短的延迟时间。

在高速逻辑器件中,高迁移率意味着信号传输速度更快、工作频率更高;

在模拟与射频器件中,高迁移率则能降低器件的电阻,提高跨导,改善增益和噪声性能;

功率器件中,高迁移率能在相同导通电阻下承受更大电流,从而减少导通损耗、提升效率。

因此,不论是逻辑芯片射频放大器还是功率开关器件,提高迁移率几乎都是提升整体性能的关键途径。

为了实现迁移率提升,常用的手段首先是材料与应变工程。

例如,在硅器件中引入适当的拉伸或压缩应力,可以改变能带结构与有效质量,让电子或空穴沿最有利的能谷运动,从而获得显著的迁移率增益。

对于高性能器件,还可以直接采用本征迁移率更高的材料,如锗、砷化镓或铟镓砷,并通过构建异质结量子阱,将载流子局限在高质量通道中,同时与杂质分离,减少散射,这是高电子迁移率晶体管的核心原理之一。

在工艺层面,改善界面质量是提升迁移率的常规方法。

优化氧化工艺、进行氢钝化或氮化处理,可以显著降低界面陷阱密度和表面粗糙度,从而减小界面散射的影响。

在使用高 k 栅介质时,可以在其与沟道之间引入超薄缓冲层,减弱高 k 材料带来的远程声子散射。

掺杂策略方面,减少沟道直接掺杂浓度,并采用调制掺杂或 δ 掺杂,使载流子与离子化杂质空间分离,能有效降低库仑散射。

在器件结构优化上,通过设计二维电子气或二维空穴气通道,让载流子在高迁移率区域内运动,并与缺陷、界面保持一定距离,可进一步提升迁移率。

在三维器件如 FinFET纳米线中,选择迁移率更高的晶面取向同样是常用方法。

最后,通过适当的热处理与退火消除缺陷、活化杂质并平整界面,也能改善迁移率表现。

整体来看,迁移率的提升往往需要材料选择、应变引入、界面工程、掺杂优化和器件结构设计的多重配合,在性能收益与工艺可行性之间取得平衡。


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