보고서 정보
주관연구기관 |
포항공과대학교 Pohang University of Science and Technology |
연구책임자 |
강봉구
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참여연구자 |
김범만
,
정윤하
,
홍성철
,
권오대
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발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 1995-10 |
주관부처 |
과학기술부 |
사업 관리 기관 |
포항공과대학교 Pohang University of Science and Technology |
등록번호 |
TRKO200200014919 |
DB 구축일자 |
2013-04-18
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키워드 |
Epitaxy.HBT.MODFET.Photo-Detector.Heterostructure.Superlattice.Epitaxy.HBT.MODFET.Photo-Detector.Heterostructure.Superlattice.
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초록
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본 연구에서는 정보통신용 SiGe/Si Single-chip 광/전자 소자를 개발하기 위해 요구되는 핵심기술인 결정성장, 물성분석, 소자설계, 회로설계, 및 소자제조 공정기술을 개발하는데 그 목적을 두었다. 결정성장분야는 Limited Reaction Process(LRP) Reactor를 이용하여 대구경, 저결함, 선택적 이종접합구조의 결정성장기술의 개발, 물성분석 분야에서는 Strained-Layer에서의 전자의 이동 및 광흡수에 관한 이론분석 및 실험을 통하여 소자 modeling에 관한 연구, 소자기술개발분야에서는 S
본 연구에서는 정보통신용 SiGe/Si Single-chip 광/전자 소자를 개발하기 위해 요구되는 핵심기술인 결정성장, 물성분석, 소자설계, 회로설계, 및 소자제조 공정기술을 개발하는데 그 목적을 두었다. 결정성장분야는 Limited Reaction Process(LRP) Reactor를 이용하여 대구경, 저결함, 선택적 이종접합구조의 결정성장기술의 개발, 물성분석 분야에서는 Strained-Layer에서의 전자의 이동 및 광흡수에 관한 이론분석 및 실험을 통하여 소자 modeling에 관한 연구, 소자기술개발분야에서는 SiGe/Si HBT, MODFET, 및 Photo Detector 개발을 위한 이론정립, modeling, 소자설계, 및 제조공정기술을 확보하고자 하는데 각각의 목표를 두고 연구를 수행하였다. 주요연구결과로, 결정성장분야에서는 결정성장장치인 LRP 반응로 및 부대설비를 설치하여 결정성장 실험을 수행하였으며, 공정조건의 개선 및 유독가스 사용에 대처한 장비보완을 통하여 LRP 반응로 설계기술 및 부대장치 설계기술을 확보하였다. 결정성장 실험결과는 RBS, SRP, SIMS, TEM등의 분석법을 사용하여 특성을 분석하였고, 결함없는 SiGe 층의 결정성장이 650도 미만에서도 가능하였으며, Si와 Ge의 조성비 조정 또한 용이하였다. 불순물 도핑 실험은 p형과 n형에 대해 수행하였으며, 10??∼10??/㎤ 범위에서 ∼200Å/decade의 급격한 분포변화를 지닌 경계면을 얻을 수 있었다. 소자분야에서는, SiGe/Si HBT에서 온도변화에 안정하면서도 base의 두께를 최대한 높일 수 있는 최적의 Ge mole fraction을 찾아 내었으며, emitter finger layout의 thermal desig을 위한 프로그램을 개발하여 최적의 emitter 설계를 가능하게 하였고, HBT 대신호 등가모델을 extended Ebers-Moll 모델을 사용하여 작성하여 소자 측정을 통하여 DC 및 RF parameter를 추출하여 완성하였다. MOS 소자에 대한 연구에서는 buried channel 구조인 SiGe PMOS에 대한 단체널 효과에 대하여 분석하였다. Punchthrough 현상을 없애기 위하여 기판농도를 증가시킬 경우 Si 캡층에서 반전층이 형성됨이 발견되었고, Ge mole fraction을 증가시킬 경우 subthreshold 표면채널효과는 감소하나 누설전류는 증가하였다. 이러한 효과들로부터 표면체널 현상에 대한 해석적 모델을 추출하였으며, 누설전류를 최소화 시키는 최적의 Ge mode fraction 조건을 얻었다. 물성분석분야에서는 SiGe/Si strained material system에서 Monte-Carlo simulation을 통해 전자이송현상을 규명하였으며, 이 결과들 중 Si 기판위에 strained Si 층에서의 수직 이송은 HBT 소자 설계에 응용될 수 있고, 수평 이송은 HEMT 소자설계에 응용될 수 있다. Si/SiGe/Si 양자우물에 감금되어 2차원 형태로 존재하는 전공가스에 대한 이론적 실험적 연구 또한 진행되었으며, 이론적인 연구는 Schrodinger 방정식과 Poisson 방정식의 self-consistant한 해로부터 임의의 구조에 대한 유효전공질량, 전공의 밴드구조, 전하분포 등을 계산하였다. 실험적인 연구는 MBE로 성장시킨 Si/SiGe/Si 구조에 대해 전기적 특성을 측정하였으며, 4°K에서 10,400㎠/V-sec의 이동도, 1.1×10??/㎤의 전하밀도, 그리고 0.3m의 휴효전공질량을 얻었다. 이 결과들은 SiGe/Si 구조가 PMOS로 응용될 수 있음을 명백히 보여주고 있다. 과제 종료후에도, 상기 결과들을 활용하여 결정성장장비의 보완으로 소자제작용 결정성장이 지연되어 수행되지 못한 광/전자소자에 대한 심도있는 연구를 계속 수행할 예정이다.
Abstract
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The goals of this three year project were set to investigate necessary basic key technologies for developing SiGe/Si single-chip opto-electronic devices. In this project, three different research areas were investigated ; the ipitaxial growth of SiGe/Si heterostructures, the optical/electrical pr
The goals of this three year project were set to investigate necessary basic key technologies for developing SiGe/Si single-chip opto-electronic devices. In this project, three different research areas were investigated ; the ipitaxial growth of SiGe/Si heterostructures, the optical/electrical properties in a strained SiGe/Si layer, and the technologies for modeling, designing, and fabricating SiGe/Si devices. For the epitaxial growth of SiGe/Si heterostructures, the Limimited Reaction Process(LRP) has been used. The process gases for epitaxial growth of SiGe layers are SiH?, SiH?Cl?, H?, GeH?, and the doping gases are PH? for n-type doping and B?H? for p-type doping. The Si/Ge composition ratios and the interface properties are measured with the RBS and the SIMS techniques. The crystalline properties are analyzed from TEM pictures. The experimental data show that the crystalline perfection is excellent at the growth temperature of >650℃, and the composition ratios change linearly with SiH?/GeH? gas mixing ratios. The doping profiles measured with the SRP and the SIMS techniques show that the doping abruptness can be controlled within ∼200Å/decade. In the area of device researches, SiGe/Si Heterostructure Bipolar Transistors (HBTs), Modulation Doped Field Effects Transistors (MODFETs), and photo dectors are investigated. For HBTs, an optimum Ge mole fraction for temperature stability, that maximizes the base width, has been found. A computer program, that solves heat equation, base current density, and power gain, has been written. This program was used for designing the emitter finger layout for power optimization. Also, an HBT large signal equivalent circuit model based on entended Ebers-Moll model is considered. The circuit parameters are extracted from RF, pulsed, and DC measurements. For MODFETs, the short channel effects on a buried channel SiGe PMOS. It is found that a subthreshold inversion layer is made in Si-cap layer when the doping level of the substrate is increased to reduce punch-through effects. The punch-through effects can be decreased if the Ge mole fraction is increased. Increasing Ge mole fraction accompanies increased leakage current level. Those effects are optimized with numerical analysis. In the area of optical/electrical property research, both Monte-Carlo simulation and theoretical/experimental investigations are performed. The effective mass, the band structure, and the charge distribution on 2-D holes confined in a Si/SiGe/Si quantum well are calculated and experimentally measured with a MBE grown sample. At the temperature of 4°K, the hole mobility of 10.400㎠/V-sec, the charge density of 1.1×10??/㎤, and the effective mass of hole of 0.3m were measured, showing that SiGe/Si heterostructures can be used for PMOS fabrication.
목차 Contents
- 제1장 서론...8
- 제2장 본론...15
- I. 제 1 세부과제 : SiGe/Si 이종접합구조의 결정성장기술개발...16
- 1. 서론...17
- 2. 본론...19
- 2.1 LRP 장비의 설치 및 보완...19
- 2.2 결정성장 실험 및 물성분석...21
- 2.2.1 실리콘 결정성장 실험...21
- 2.2.2 SiGe/Si 이종접합 구조의 결정성장 실험...24
- 2.3 전기적인 특성분석...26
- II. 제 2 세부과제 : Heterojunction Bipolar Transistor 개발...46
- 1. 서론...47
- 2. 본론...49
- 2.1 SiGe/Si HBT 최대절류이득의 온도 의존성...49
- 2.2 최적화된 에미터 레이아웃 설계를 위한 S/W 개발...52
- III. 제 3 세부과제 : SiGe/Si 이종접합 MOSFET 개발...93
- 1. 서론...94
- 2. 본론...95
- 2.1 SiGe p-MOS 소자구조...95
- 2.2 모의실험결과 및 토의...96
- 2.3 해석학적 모텔...98
- 2.4 기대효과 및 결론...100
- IV. 제 4 세부과제 : SiGe/Si strain system 에서의 전자의 이동 및 광흡수에 관한 연구...115
- 1. 연구수행결과...116
- 1.1 SiGe/Si 양사우물에 존재하는 2차원 징공기스의 특성에 대한 연구...116
- 1.2 SiGe/Si 에서 전자의 수송(Electron Transport)...142
- V. 제 5 세부과제 : SiGe/Si 적외선 광소자 개발...162
- 1. 서론...163
- 2. 본론...164
- 2.1 Mach-Zchndcr typc-modulator 에 관한 연구...164
- 2.2 Photoluminescence Study...166
- 3. 결론...170
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