Результаты поиска:

{{RESULT.context}}

Моделирование физических процессов в полупроводниковых приборах СВЧ электроники


В рамках научного направления ведется разработка программного обеспечения для исследования физики процессов токопереноса и выявления критических параметров локализации распределения электронов в канале на ряду с оптимизацией их скорости дрейфа методом моделирования арсенид-галлиевых наногетероструктур с локализующими потенциальными барьерами.


Название структурного подразделения: Кафедра радиофизики и электроники .


ФИО руководителя научного направления: Зуев Сергей Александрович


Область знаний02. физика и астрономия.


Научная дисциплина:


  • 02-202 Полупроводники;
  • 02-205 Нано- и микроструктуры


Ключевые слова: моделирование токопереноса носителей, кинетическое приближение, метод крупных частиц, рассеяния носителей тока, метод Монте-Карло.


Члены научного коллектива: 


  • Старостенко Владимир Викторович, д.ф.-м.н., проф.,
  • Таран Евгений Павлович, к.ф.-м.н., доц.,
  • Килесса Григорий Владимирович, аспирант, Асанов Эрнест Эдемович, аспирант,
  • Покрова София Владимировна, ст. преп.,
  • Цапик Дмитрий Александрович, студент.


1. Цели и задачи научного направления:


Разработка модели и комплекса программ для моделирования физических процессов в гетероструктурных элементах радиоэлектроники СВЧ на основе перспективных материалов.


В ходе проведения научно-исследователькой работы должны быть решены следующие задачи:


  • разработано программное обеспечение для моделирования в кинетическом приближении дрейфовых характеристик и электрофизических параметров наногетероструктур

  • исследованы зависимости кинетических коэффициентов арсенида галлия, арсенида индия и фосфида индия в квантоворазмерных структурах;

  • проведен численный расчет тестовых наногетероструктур в кинетическом приближении;

  • методами численного моделирования выявлены закономерности изменения электрофизических характеристик наногетероструктур, лежащих в основе функционирующих СВЧ транзисторов, при изменении их конструктивных параметров.


2. Предлагаемые методы и подходы.


Теория и модели HEMT в обычных режимах достаточно хорошо разработаны, однако в связи с непрерывным стремлением к увеличению быстродействия приборов, в силу вступают эффекты, требующие дополнительного рассмотрения.


Традиционно используемые классические методы моделирования не позволяют осуществлять исследование поведения транзисторов в условиях баллистического пролета и с учетом квантования уровней в слоистых наноструктурах. Для описания дрейфовых процессов в короткоканальных сравнительно с длиной свободного пролета приборах необходимо исследовать специфику рассеяния и разогрева носителей заряда в кристалле полупроводника, возможность перехода транзистора в баллистический режим переноса зарядов, перенапряженные токовые и тепловые условия работы, что является актуальным развитием существующих моделей.


При моделировании короткоканальных гетероструктур целесообразно использовать кинетическое приближение, в рамках которого процессы токопереноса в кристалле полупроводника описываются с учетом рассеяний и сложной зонной структуры. Таким образом, разрабатываемая модель представляет собой систему кинетических уравнений Больцмана для функции распределения свободных носителей заряда, уравнения Пуассона для распределения электрического поля в активной области транзистора. Для учета процессов теплопереноса в кристалле данная система дополнена уравнением теплопроводности, связанным через источники тепловыделения с уравнением Больцмана. Уравнение Больцмана решается методом крупных частиц с использованием метода Монте-Карло для учета процессов рассеяния свободных носителей в кристалле.


При моделировании предполагается учитывать все основные типы рассеяния свободных носителей в полупроводнике, в частности: рассеяния на акустических и оптических фононах с полярными и деформационными потенциалами взаимодействия, междолинное рассеяние с переходами электронов между эквивалентными и неэквивалентными долинами, рассеяние на дефектах кристаллической решетки (точечных и дислокациях), на нейтральных и ионизированных примесях и рассеяние электрона на общем электронном газе.


Подобная модель является достаточно уникальной и обладает огромными исследовательскими возможностями.


3. Приблизительный план работ на 2015-2016гг.


 Номер этапа       Название этапа выполнения работ      

Срок выполнения

начало-конец

(месяц, год)

  
1 Исследование кинетических коэффициентов арсенида галлия в квантоворазмерных структурах  
2 Разработка программного обеспечения для моделирования электрофизических параметров GaAs наногетероструктур  
3 Численный расчет тестовых наногетероструктур в кинетическом приближении  
4 Анализ характера зависимости электрофизических характеристик наногетероструктур, лежащих в основе функционирующих СВЧ транзисторов, от их конструктивных параметров  
5 Исследование кинетических коэффициентов других перспективных материалов СВЧ электроники  


 


4. Современное состояние исследований в данной области науки.


В связи с тенденцией к миниатюризации элементной базы и активных элементов интегральных схем, размеры полупроводниковых приборов уменьшаются до нанометровых и становятся сравнимыми с длинами свободного пролета носителей в них. В настоящее время получили широкое применение приборы, основанные на баллистических эффектах. При дрейфе электронов под действием электрического поля в полупроводнике, они испытывают соударения, количество которых определяется размерами активной области прибора, энергией электронов и параметрами самого полупроводника. Можно оценить области доминирования различных механизмов рассеяния носителей в полупроводниковой структуре и выявить границу начала баллистического эффекта при транспорте основных носителей в активной области прибора.


Кроме того, одной из наиболее стратегически важной задачей современной электроники СВЧ является задача повышения удельной мощности элементной базы, в частности транзисторов. Существующая технология гетероструктур не позволяет обеспечить для СВЧ транзисторов удельную мощность более 1 Вт/мм, что ограничивает область их применения.


Проведенные в России исследования последних лет показали, что имеется техническая и технологическая возможность увеличения удельной мощности СВЧ транзисторов в 1,5 и более раз. Увеличение удельной мощности связано с повышением плотности тока в канале и возможно при ограничении ухода горячих электронов в подложку наряду с уменьшением вероятности их рассеяния. Планомерное исследование возможностей создания подобных многослойных структур, состоящих из различных материалов СВЧ электроники возможно только методами численного моделирования.


В связи с этим в данной работе предполагается разработка модели и на ее основе программного обеспечения для исследования физики процессов токопереноса и выявления критических параметров локализации распределения электронов в канале наряду с оптимизацией их скорости дрейфа методом моделирования наногетероструктур из различных материалов. Моделирование будет проводиться в кинетическом приближении с учетом всех наиболее вероятных механизмов рассеяния.


При моделировании СВЧ полупроводниковых приборов и их элементов используются как быстрые методы, основанные на решении уравнений гидродинамики, так и гораздо более медленные, но при этом более точные, методы, основанные на кинетическом приближении. На сегодняшний день Российскими учеными широко используются модели гидродинамики, которые базируются на предположении, что функция распределения является Максвелловской и кинетические коэффициенты полупроводника известны. Таким образом, является актуальной также задача выявления зависимостей кинетических коэффициентов от параметров материала в различных условиях, которая может быть решена в кинетическом приближении.


Изучению данных вопросов посвящено множество работ как Российских, так и зарубежных авторов. Можно отметить, что есть конференции, на которых затрагиваются отдельные вопросы моделирования гетеропереходов и структур на их основе, в частности: Научно-техническая конференция АО "НПП "Исток" им. Шокина", Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» Севастополь. Публикуются научные работы, среди которых можно отметить следующие:


  • В. А. Гергель, В. А. Курбатов, М. Н. Якупов Квазигидродинамическое моделирование особенностей электропроводности сильно легированных наноразмерных слоистых гетероструктур в сильных электрических полях // Физика и техника полупроводников. - 2006. - Т. 40, вып. 4. - С. 446-448.;
  • Гергель В.А., Гуляев Ю.В., Якупов М.Н. Моделирование особенностей эффекта насыщения дрейфовой скорости в субмикронных кремниевых структурах // ФТП, 2005, т.39, с.1075.;
  • А. Б. Пашковский, В. М. Лукашин, Я. Б. Мартынов, В. Г. Лапин, А. А. Капралова, И. А. Анисимов Нелокальный дрейф электронов в полевых транзисторах на основе нитрида галлия // Электронная техника, Сер. 1, СВЧ-техника, Вып. 3(514), 2012. АО «НПП «Исток» им. Шокина»;
  • K. Poželaa, J. Poželaa , V. Juciene , I.S. Vasil’evskii, etc. Electron Transport in Modulation-Doped InAlAs/InGaAs/InAlAs Heterostructures in High Electric Fields // Appl. Phys. A, 109, 233 (2012).


Широкий охват информационных источников, а также большой опыт работы коллектива в данном направлении позволяет надеяться на получение значимых результатов, а также на их сопоставимость с мировым уровнем.


5. Ожидаемые научные результаты и их сравнение с мировым уровнем.


В результате выполнения будут получены следующие научные результаты:


Проведен расчет зависимости дрейфовой скорости электронов в различных полупроводниках от величины напряженности электрического поля для объемного полупроводника и для тонкой пленки с учетом квантования скорости по одному из направлений. Получены соответствующие зависимости подвижности электронов проводимости для разных концентраций примеси при различных температурах кристалла.


В ходе моделирования будут определены условия, при которых происходит заметное отклонение функции распределения носителей от максвелловского вида, определены границы баллистического транспорта носителей, выявлены возможности уплотнения потока электронов в канале мощных транзисторов.


Будут даны рекомендации по уточнению гидродинамических моделей СВЧ полупроводниковых приборов.


В научно-технический отчет будут включены следующие разделы:


  1. Исследование кинетических коэффициентов арсенида галлия в квантоворазмерных структурах

  2. Разработка программного обеспечения для моделирования электрофизических параметров GaAs наногетероструктур

  3. Численный расчет тестовых наногетероструктур в кинетическом приближении

  4. Анализ характера зависимости электрофизических характеристик наногетероструктур, лежащих в основе функционирующих СВЧ транзисторов, от их конструктивных параметров.


6. Имеющийся у коллектива задел по разрабатываемому научному направлению (список не более 10 основных публикаций коллектива за последние 5 лет; список не более 10 основных патентов коллектива за последние 5 лет).


1. Kilessa G., Asanov E., Zuev S. Construction of parallel computational model of MESFET using CUDA technology // Proceedings of the XI international young scientists’ conference on applied physics. – Kyiv, 2011. – p. 197-198.


2. E. E. Asanov, S. A. Zuev, G. V. Kilessa, N. I. Slipchenko The influence of bias current upon the frequency characteristics and stability of metal-Schottky gate Field-Effect Transistors (MS-GFET) // Telecommunications and Radio Engineering. - 2012. – v.71. i15.30 – Р. 1361-1370


3. E. E. Asanov, S.A. Zuyev, G. V. Kilessa, N. I. Slipchenko Numerical model for metal-semiconductor contact // Telecommunications and Radio Engineering. - 2013. – v.72. i17.30 – Р. 1575-1587


4. M.A. Bykov, S.A. Zuyev, M. I. Slipchenko, A. A. Shadrin A DESCRIPTION OF CARRIER CURRENT FLOW TRANSPORT MODEL IN THIN PHOTOCONVERTING a-SI:H FILM// Telecommunications and Radio Engineering. - 2013. – v.72. i20.70 – Р. 1881 – 1892


5. G.V. Kilessa, E.E. Asanov, S.A. Zuyev, V.V. Starostenko, and N.I. Slipchenko Selection of Kinetic Parameters for the Transfer Current in GaAs // Telecommunications and Radio Engineering. - 2014. – v.73. i14.60 – Р. 1273 – 1292


6. Kilessa, G.V.,Asanov, E.E.,Zuev, S.A.,Starostenko, V.V. The influence of the coefficient of nonparabolicity on the distribution of the scattering angles in GaAs 2013 CriMiCo 2013 - 2013 23rd International Crimean Conference Microwave and Telecommunication Technology, Conference Proceedings


7. Zuev, S.A.,Starostenko, V.V.,Undjakov, D.A. Displacement current influence on frequency characteristics and schottky fet firmness 2010 KpbiMuKo 2010 CriMiCo - 2010 20th International Crimean Conference Microwave and Telecommunication Technology, Conference Proceedings


8. Churyumov, G.I.,Gribskii, M.P.,Starostenko, V.V.,(...),Unzhakov, D.A.,Zuev, S.A. Wunsch-bell criterial dependence for Si and GaAs schottky-barrier field-effect transistors 2010 Ultra-Wideband, Short Pulse Electromagnetics 9


9. Зуев С.А. Учет непараболичности энергетических зон при моделировании GaAs полупроводниковой структуры. // Радиотехника. Всеукр. межведом. н.-техн. Сборник, 2013. - № 174. – с 96 – 104


10. Асанов Э.Э., Зуев С. А., Килесса Г. В., Слипченко Н. И. Влияние тока смещения на частотные характеристики и стойкость ПТШ // Радиотехника. Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. – 2012. – Вып.168. – С.137-143.