文摘

绝缘体上硅结构的分析模型用光催化调制器(SOI-PAM)设备提出了为了描述这个新设备的概念信息的电子光学调制命令。模型,依靠经典肖克利的分析,简单而有用的分析和合成设备的伏安关系在低漏电压。解析表达式推导出了输出电流作为输入排水和栅极电压的函数的参数化的物理值如掺杂浓度、通道和氧化层厚度和光学控制能量。一个原型SOI-PAM设备有一个面积4μm×3μm与已知的参数是用于实验模型验证和支持。最后,该模型允许设备内部的物理机制的理解对黑暗和光照条件下,它将被用于优化和找到设备的性能限制。

1。介绍

硅基纳米光子设备吸引了可观的注意力和精力,因为它们潜在的应用在硅集成电路。尽管硅可能不是光学设备的理想平台,使用硅代光电集成电路是强制性的。质量的商业绝缘体上硅(SOI)晶片由微电子行业仍继续提高,而继续降低成本。此外,如前所述的兼容性与硅集成电路制造是一个很重要的原因对硅光子学的兴趣(1]。

光学功能是用来克服一些非光学设备的局限性。这些功能高传播速度,减少交叉会谈和无噪声耦合电感和电容(2- - - - - -4]。这些设备可以在非常低的运营能力和并行处理能力(5,6]。

在这篇文章中,我们将首先分析模型前面提出的混合光电设备绝缘体上硅催化调制器(SOI-PAM) [7]。从它的名字推断,该装置由光学控制命令。像一个结型场效应晶体管(JFET),两个终端之间的信息电流(源和排水管)硅通道。设备概念继电器的耗尽层厚度的通道,影响当前的信息,可以通过外部照明和控制不仅通过应用门电压。

模型是线性域的通道(漏源)电流电压特性和适应实验测量。

节2,我们描述SOIPAM装置的工作原理。节3,我们目前的一般假设模型。节4,我们推导出分析模型在耗尽型和部分5,我们开发统一的直系模型及其参数的提取。部分6总结了纸。

2。SOI-PAM设备

设备是基于n型硅结构组成的薄层(30 nm)上面的绝缘子p型衬底(SOI-bonded晶片)8]。n型层得到的补偿原始low-doped p型硅层使用离子注入的磷。

如图1,英吉利海峡分隔源和排水的欧姆接触掺杂多晶硅。通道的长度约为几个微米制造的原型版本的设备(8]。p型衬底的信息通道是绝缘的氧化埋层厚度150 nm (SOI晶片)。周边设备的设备绝缘厚氧化温度场。

原则上,当给定非门的潜力应用于p型衬底的底部,下面会出现一个带负电荷的耗尽层埋氧化层。因此,出现一个带正电的耗尽层内n型通道。因为n型掺杂水平(捐助者的浓度约10¹⁷厘米⁻³)通道设计成比p型衬底(受体浓度10¹⁵厘米⁻³),n型地区耗尽层的厚度比耗尽层窄在p型地区。此外,该设备设计的方式,在黑暗条件下,耗尽层的通道是小于通道厚度的设备部分耗尽,可以视为正常,也就是说,适度进行在黑暗条件下和零电压门。注意门电压应充分应用与高频(几千赫)或被以足够的速度,以使底物进入“深”模式损耗,从而避免信道的反演。

如果一个可见的短脉冲激光照明下的面积氧化层(斜照明),底部的照片生成的电子将积累二氧化硅界面,因此增加的带正电的耗尽层通道。有足够能量的脉冲,该频道将被切断。在未来版本的设备,全面潜力将被添加,这样调制的漂移时间限制photogenerated运营商在测微的地区而不是耗时的重组过程。假设一个饱和速度10⁷厘米/秒和1微米长,漂移时间预计将小如10 ps,即实现调制率可以高达100 GHz。

3所示。一般的假设

以类似的方式用于其他场效应装置,2 d-poisson方程将解决一维(即轴是垂直于这个平面Si-SiO₂如果接口)通过假设肖克利的渐进通道近似(GCA) [9]。小漏电压值,它是合理的假设的电场变化更快方向比沿着通道方向(横向场的变化轴)由于大型通道长度和埋氧化层厚度之间的比例。

设备的几何图形画在图1。通道,有一个长度3μ米,被认为是方向。英吉利海峡的厚度是30 nm和测量方向。设备的宽度是4μ米以方向。英吉利海峡潜在是一个函数的距离沿着通道。

为了得到的漏极电流的表达式,它是有用的做一些简化假设。(1)所有设备的地区都假定均匀掺杂。(2)内的电流只发生nondepleted(中性)通道的一部分。(3)运营商不漏电压依赖的流动(低现场流动主要是门电压敏感)。(4)氧化物是一种理想的绝缘体等氧化物和接口费用可以忽略不计。(5)接触系列电阻可以忽略不计。(6)生成电流可以忽略不计。

4所示。耗尽型推导的解析模型

泊松方程解决了单独的每个地区SOI-PAM设备结构由pn结耗尽分离的氧化层。甘氨胆酸的应该近似,通道电压诱导的漏源极的偏见添加到应用负栅电压根据以下方程: 在哪里,n型枯竭的地区的潜力,p型贫地区分别和氧化层。是平坦的乐队(神奇动物)偏见SOI-PAM装置,包括内置的偏见的pn结和功函数金属和硅接触区域之间的差异(衬底和通道,职责)。氧化和接口费用被认为是可以忽略的。最后,我们从(1): 在哪里和的损耗厚度分别n和p型区域。是硅和氧化硅的电介质介电系数,分别。然后,设备的电中性区表达以下方程:

英吉利海峡耗尽层厚度,,因此可以解决: 在哪里被定义为氧化耦合因子(无量纲): 和是氧化耦合电压定义为:

我们可以很容易地检查枯竭为零的=,即平带电压是积累和损耗之间的过渡模式对于MOS电容器。

的最大价值等于当相应的栅电压,等于阈值(或中断)电压当没有漏电压。然后从(4)得到: 在哪里设备的内部夹断电压无氧化和零漏电压如下:

假设漏极电流,流入的中性上部枯竭的通道,是恒定的轴,我们可以写:

通过集成的表达式0到我们得到了氧化物修饰肖克利的漏极电流方程(据): 在哪里的最大价值是电导(未用尽的通道)。

一个可以推导出通道电导SOI-PAM设备(10):

在耗尽的情况下(在哪里,也就是说,)通道电导不不再依赖但在。所以,根据(12)和(4),相关的电导可以简单地关闭通道的耗尽区完全控制的如下:

在饱和,对于一个给定的漏极电流达到最大值,如此饱和电压通过通道电导归零,(12),收益率:

从(7)的阈值电压预计将在设备,因此,饱和度相对较小的值不会发生吗考虑损耗模式。

根据上面的方程,我们可以得出一些定性的期望在材料参数对电导的影响。根据(11)和(12)增加增加:通道掺杂浓度或通道厚度或者也埋氧化层厚度。同时,gd是增加了降低底物浓度。最后,我们可以注意到的极限情况下,氧化层消失()的硅氧化耦合因素(5)和二氧化硅耦合电压(6)消失而等于结的内置电压。所以,上面的表达式(12)- (14)减少那些描述一个典型的JFET设备(n沟道)。

5。统一的线性模型和参数提取

5.1。- - - - - -特点和操作模式

的原型构造SOI-PAM装置实验使用吉时利scs - 4200参数分析仪。见图2,- - - - - -特点是测量在(−4 V, V)区间数低值(0.1 - -0.5 V)为了得到一个线性关系和。

在本节中,我们开发一个统一的模型- - - - - -特征基于MESFET统一模型(9)用于设备的三种操作模式和在低值。Colinge用类似的方法对SOI p沟道MOSFET (10]。

(1)积累模式()
n沟道是通过积累层进行的大多数航空公司位于顶部的silicon-buried氧化物界面。电子的浓度是由- - - - - -。

(2)损耗模式()
n沟道部分耗尽,但仍然是通过挤压进行中立地区的耗尽区上方的通道。

(3)扩散模式()
n沟道完全耗尽;有一个小的扩散电流n⁺源区通过n枯竭的通道。当前控制指数MESFET器件的栅电压作为观察(9]。的足够迅速地扫描执行这样的通道反演不实现的通道被认为是“深耗尽”状态。

现在我们将表达的漏极电流模型的每一个这些模式如下:

(1)积累模式()
线性漏极电流可以由以下关系描述观察到的pseudo-MOSFET设备(11]: 在哪里是单位面积上的埋氧化层电容,给出的:
线性外推法的积极的价值观,我们可以提取的值(~ 0.1 V)(~ 700厘米²/ Vs)大致不变。提取的流动性价值发现符合类似薄伪SOI-MOSFET [11拥有相同的硅膜厚度和n沟道掺杂浓度范围(10¹⁷厘米⁻³)。然而由于非均匀性的离子注入过程中,掺杂值不是每个设备精确已知。此外由于快速变化的流动与掺杂浓度范围(10¹⁷厘米⁻³),掺杂浓度不能提取准确的流动性。

(2)损耗模式()
部分耗尽的漏极电流通道可以由以下关系[重写9]: 与在电子密度板上方的通道阈值电压。这个密度是由: 而枯竭的厚度区域的通道在低这主要是一个平方根函数由(4)。

(3)扩散模式()
为积极的价值观,饱和条件()总是满意在这种模式下,所以完全耗尽的漏极电流通道被称为饱和扩散电流(独立的根据()9]: 在哪里是热电压(25.6 mV在室温下),是电子单下面的通道密度阈值电压。为比,由玻尔兹曼分布定义: 与的电子密度(9]:

和是完全耗尽硅通道电容单位面积由: η是理想的因素提取的亚阈值斜率指数,评估11.5均值在几个值,见图2 (b)。这个值是可比的/比例也在MOSFET的阈下的电流模型设备(9]。

根据(19)和(20.),阈值电压可以提取的出发点指数符合(9并发现−2.3 V,如图2 (b)为= 0.1 V。相应的阈值电流是25 nA中允许的最大扩散电流通道。

然而,根据(7),的期望值−9 V。实际上,测量电流不消失−9 V。此外,损耗电流是一个幂律函数的而扩散电流是一个指数衰减低于−2.3 V。扩散是阈下的极限过程模式。因此,测量漏电流可以通过以下表达式[建模9]: 实验(见图2 (b)),是稍微依赖尽管饱和条件假设。事实上,我们可以依赖的链接与在低值。这是类似于MOSFET DIBL效应发现的设备(9]。的值提取的阈值电流固定在25 nA- - - - - -从图2 (b)。例如,对于等于0.5 V,提取的值是−2.6 V。在模型中使用这些值。

5.2。微调的掺杂浓度

由于缺乏准确的掺杂浓度,可以细化,以便后者(23)将最适合测量和电流图2 (b)特别是在V。的匹配值发现8×10吗¹⁶厘米⁻³,而不是初始设计值为10¹⁷厘米⁻³,但仍然对掺杂分布合理。这显示执行调优流动压敏模型如下介绍。

5.3。流动电压依赖性

电子迁移率可以提取阈值电压的计算(−2.3 V)使用(19)和(20.)如下:

发现这个流动值远低于测量值的积累模式(700厘米²/ Vs)。这并不奇怪,因为据报道,低场流动性枯竭模式上面门电压迅速增加在MESFET器件(12]。这应该是解释为耗尽层的减少而增加以上。根据这个参考,我们可以预期流动的线性关系为了匹配实验- - - - - -在耗尽型特征

另一个假设是必要的物理模型的一致性。一方面,流动不能消失所以它应该固定在低阈限值的200厘米²/ Vs甚至下面的值。另一方面,连续性的缘故,上面的消耗电流,应符合当前积累电压(11]。所以当前匹配之间的积累和当前(损耗)可能发生在一个特定的“有效”的平带偏见定义如下: 的表达因此由 :厘米⁻³。

这种“有效”平带偏见价值实际上定义了下限当前的积累可以描述(15)。同时,定义的上限消耗的电流可以描述(10)。

的流动变化终于可以被建模通过使用阶跃函数如下:

之间的比较实验表征和在这一节中描述的统一模型显示了一个令人满意的匹配0.1 V和0.5 V的值从数据可以看出2(一个)和2 (b)。

5.4。特征

为了确认并完成SOI-PAM设备的电流电压模型,测量特征呈现在图3。统一模型是用来模拟这些特征的饱和区域=−1,0,1,2,3 V,分别和积极值3 V。漏极电流的线性行为在饱和区域可以被视为drain-induced通道长度调制(9]。

为= 3 V,相对应的设备是在积累模式特点是由(15)通过添加抛物线术语到饱和区域用于MOSFET器件:

然后定义为饱和电压 与等于0.1 V。

测量饱和电压(图3)匹配的期望值(−2.9 V)。

为= 2 V,设备仍在积累模式,所以前面的方程是有效的,直到=,1.77 V,提取(26)。然而,一个小的差异观察1 V以上饱和区域附近。这可能由于沟道长度调制效应的增强(如上所述9]。

为= 1 V,设备现在在消耗模式,(17)可用于配合采取相应的特征值为577厘米²/ Vs的估计(28)。饱和电压测量图2.3 V3由建模,是高估了值(3.3 V (14)可能是由于速度饱和(9这是不包含在当前的模型。

为= 0 V,扩散电流的贡献可以忽略不计(17)仍足以适合采取相应的特征值为402厘米²/ Vs的估计(28),但目前的价值和轻微高估注意到上面。

为=−1 V,现在扩散电流的贡献不容忽视和(23)用于配合采取相应的特征值为227厘米²/ Vs的估计(28),但再次与轻微高估的当前值和注意到上面。

5.5。模拟的照明效果

通过同步和定向照明p型衬底,免费photogenerated电子浓度可以显著,立即增加建立反演(带负电)氧化硅层。因此,n型的带正电的耗尽层通道扩大,可能完全耗尽通道。

我们可以表达n型降电压依赖的电子产生的照明应用。入射光子的数量与总能量为: 在哪里普朗克常数,光速和吗λ是光子的波长。的各部分贫硅层和氧化埋在系列相关联,所以单位面积上的总电容吗

频道的电压降,即“照度感应电压”可以表达的 在哪里是硅给定的量子效率λ。因此,对于照明水平相对较低,通道耗尽层的厚度可以增加illumination-induced电压根据(4)

因此,废弃的通道地区将成长和电流消耗模式将减少照明能量增加时,按预期从设备的工作原理。实际的设备参数,我们可以从(评估34),英吉利海峡将完全关闭(小)通过75000 = 4.5 V,即通过提供光子(假设一个理想的统一量子效率)。在光功率方面,例如,一个绿色的二极管激光器(λ= 532海里),估计2.8 mW / 10 ps脉冲装置。这个值可以最小化减少氧化装置的大小和增加厚度。

实验,通过公开设备房间(荧光)光,我们可以注意到一个轻微的积极转变特征如图4。这个证据大致光照减少漏极电流的预计从目前的模型。

当然,更深度测量的光电调制应该执行验证模型更准确,并将进一步出版的对象。

6。结论

在这篇文章中,我们已经得到一个统一的分析模型和整个操作模式的特点SOI-PAM线性匹配的设备域。

耗尽型的分析是基于经典的肖克利的模型但最初适应埋氧化层厚度的存在之间的n型和p型衬底频道。

效应的光通道电流调制可以简单地表示为一个积极的栅电压的改变,和一个调制的定性行为已被证明。