Silicio estirado (strained silicon)

Silicio estirado (strained silicon)

Los transistores se prenden y apagan sobre una capa de silicio, los electrones viajan a través de esta base de silicio del transistor cada vez que este se prende, este viaje a través de la base de silicio genera roces y fricciones, ya que, estos electrones chocan con los átomos que constituyen el silicio que están muy cohesionados, muy juntos, limitando la velocidad de los electrones y demorando el apagado del transistor causando también un elevado consumo debido a que se pierden electrones en el viaje. Es como cuando intentas dejar el auto en un estacionamiento subterráneo y es tan chico que al momento de entrar raspas la pintura y estas obligado a andar mas lento porque si andas mas rápido de seguro te das contra un pilar.

transistor [pic 1]

tradicional

Pues bueno lo que hicieron nuestros amigos de IBM para intentar solucionar estos problemas de roces y fricciones, fue tomar una capa de silicio tradicional e implantarla sobre un material llamado silicio germánico el cual tiene la propiedad de ser más "distendido" en su composición en relación al silicio tradicional, es decir, los átomos que lo componen tienen mayor distancia unos con otros. El silicio tradicional, que es insertado en el SiGe (silicio germánico), es estirado, llegando a tener casi la misma distancia entre átomos que el SiGe por lo que los electrones en la base del transistor pueden moverse mucho mas rápido, con mucho menos fricción, necesitando menos energía y por consiguiente disipando menos calor, esto obviamente mejora la capacidad de respuesta del transistor (disminuyendo la latencia o tiempos de espera de este).

transistor con silicio estirado[pic 2]

Es una capa de silicio en el que los átomos de silicio se estiran más allá de su distancia interatómica normal.

Esto se puede lograr poniendo la capa de silicio sobre un sustrato de silicio-germanio (SiGe). Como los átomos en la capa de silicio alinear con los átomos de la capa de germanio silicio subyacente (que están dispuestos un poco más separados, con respecto a las de un cristal de silicio a granel), los enlaces entre los átomos de silicio se estiran - lo que conduce a tensa silicio. Al mover estos átomos de silicio más separados reduce las fuerzas atómicas que interfieren con el movimiento de electrones a través de los transistores y por lo tanto una mejor movilidad, lo que resulta en un mejor rendimiento de chip y un menor consumo de energía. Estos electrones pueden moverse los transistores de silicio tensas que permiten 70% más rápido para cambiar 35% más rápido.

Avances más recientes incluyen la deposición de silicio rígido usando epitaxia de fase de vapor organometálico (MOVPE) con compuesto organometálico como fuentes de partida, por ejemplo, fuentes de silicio (silano y diclorosilano) y fuentes de germanio (germane, tetracloruro de germanio, y isobutylgermane).

Estructura de banda

El uso de SiGe permite la creación de una delgada capa de silicio forzado bajo tensión tetragonal (tensión biaxial). Esta cepa tiene grandes implicaciones para la estructura de banda del semiconductor. La figura 2.4 (a) muestra los elipsoides de energía constante de los seis valles de la banda de conducción de silicio no forzada. La figura 2.4 (b) muestra el efecto de la tensión tetragonal en estos valles. La tensión tetragonal tiene el efecto de elevar la degeneración de seis veces de la banda de conducción en silicio en un conjunto de dos y cuatro veces degenerado. El potencial de deformación de la cepa baja la energía de los dos valles con su eje largo Perpendicular a la interfaz Si / SiGe. La cantidad de disminución de energía depende del grado de deformación. Se ha predicho teóricamente que aproximadamente 0,8% de deformación, resultante de una aleación Si0, 8Ge0, 2, proporciona una reducción suficiente de que sólo los valles degenerados doblemente están ocupados a temperatura ambiente y bajo campo vertical efectivo.

[pic 3]

La dispersión de portadores “intervalley” sólo puede ocurrir entre los mínimos degenerados y es asistido por fonones. La adición de la tensión a la silicona por lo tanto tiene el efecto de no permitir gran parte de la dispersión intervalley que ocurrió anteriormente porque ahora hay mucho menos posibles estados finales para un transportista a dispersarse adentro. En el caso que sólo los dos valles degenerados son poblados, la única dispersión intervalley que ocurre es entre ellos.

La cepa tiene un efecto similar en la banda de valencia del silicio. La Figura 2.5 muestra el arreglo en el caso no restringido. Las bandas de orificios ligeros y pesados se degeneran en el centro de la zona. Las etiquetas de bandas de agujeros ligeros y gruesos surgen debido a las masas efectivas de los transportistas que ocupan estos estados. Por lo tanto, la banda de orificios de luz tiene una mayor curvatura que la banda de orificios pesados. La tercera banda de la figura 2.5 es la banda de división, que es 44meV más alta en energía debido a las interacciones spin-órbita (para agujeros, la energía se mide en el sentido opuesto a la energía de los electrones).

La adición de la tensión eleva la degeneración de las bandas de agujeros ligeros y pesados y hace que la banda de separación sea más alejada de las otras dos, reduciendo además la posibilidad de cualquier evento de dispersión interbanda que lo involucre. En el caso de la deformación por tracción, la banda de orificios de luz se reduce en energía con respecto a la banda de orificios pesados y se produce inversión de masa, de manera que los orificios en la banda de orificios de luz son realmente más pesados que los de la banda de orificios pesados. El efecto de la tensión en la banda de valencia del silicio es bastante complejo y tiene implicaciones graves para muchos modelos que asumen que las bandas de energía tienen relaciones de energía-momento parabólico y superficies de energía iguales esféricas. La ventaja de esta suposición es que una constante masa eficaz puede ser asignado.

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Se ha demostrado experimentalmente que se requiere un mayor grado de esfuerzo para cesar el portador entre las bandas de agujero ligero y pesado que se requiere para confinar todos los electrones de conducción a los dos mínimos degenerados. Completamente eliminar dispersión interbanda en una sobrecapa de silicio forzada puede requerir tampones SiGe con una composición de germanio tan alta como 40%. Rim et al. Dar la energía que se divide entre la luz y las bandas de valencia de agujero pesado como 38meV por 10% de germanio en la capa tampón. En comparación, la división entre el Δ2 y el Δ4 se cree que los niveles en la banda de conducción son 67 meV por 10% de germanio.

Alineación de banda

El silicio estirado sobre una capa amortiguadora de SiGe relajada tiene la alineación de banda de tipo II, lo que significa que las discontinuidades de conducción y de banda de valencia se producen en la misma dirección, como se muestra en la figura 2.7. El desplazamiento de la banda de conducción es útil para confinar electrones a la capa de silicio tensada, pero desafortunadamente el desfase de banda de valencia funciona contra el diseñador pMOSFET de silicio tenso, ya que puede ser enérgicamente favorable para que los orificios ocupen el tampón SiGe bajo condiciones de polarización de puerta negativa baja. La magnitud de las discontinuidades de la banda en función del porcentaje de germanio no es bien conocida, aunque generalmente se acepta que el desplazamiento de la banda de conducción es algo mayor que el de la banda de valencia. Por ejemplo, Maiti et al. Dan el desfase de banda de valencia entre el silicio tenso y Si0.7Ge0.3 como 180meV, mientras que Rieger y Vogl predicen que es tan pequeño como 70meV. Es importante conocer estas cantidades con precisión, ya que tienen un gran impacto en el voltaje de umbral de un dispositivo de silicio forzado.

[pic 5]

Efectos de canal corto

Efectos finales y modulación de longitud de canal

Bajo el modelo de compartición de carga, se supone que la carga de agotamiento inducida en el cuerpo de un MOSFET está equilibrada por cargas iguales pero opuestas en la puerta y las regiones de agotamiento dentro de la fuente y el drenaje. Por lo tanto, la región de agotamiento puede dividirse en tres secciones: una que está equilibrada por la carga de la puerta y dos que están equilibradas por la carga de agotamiento de la fuente y el drenaje (como se muestra en la figura 2.11). Para un dispositivo de canal largo, el efecto de la fuente y el drenaje sobre la carga de agotamiento directamente debajo de la compuerta es insignificante y puede ser ignorado.

A medida que se reduce la longitud del canal, las regiones de agotamiento dentro de la fuente y del drenaje equilibran proporcionalmente más de la carga por debajo de la compuerta. Ahora se requiere una carga de puerta menor para provocar el inicio de la inversión, y el voltaje de umbral se reduce (32) en hasta 200 mV. Este voltaje umbral de roll-off a longitudes de canal corto puede ser combatido por un aumento en la concentración de dopaje corporal en la proximidad de la fuente y el drenaje de los implantes.

[pic 6]

La modulación de longitud de canal (CLM) es una reducción en la longitud efectiva del canal causada por el movimiento del punto de extracción alejado del drenaje cuando Vds se incrementa más allá del punto de saturación. Si bien esto también ocurre en los dispositivos de canal largo, el efecto es sólo perceptible a medida que se reduce la longitud del canal, puesto que la longitud de la región pellizcada se hace significativa en comparación con la separación de la fuente y el drenaje.

Bajada de barrera inducida por drenaje

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