单轴应变对本征和N掺杂4H-SiC电子结构的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了单轴应变对本征和N掺杂4H-SiC电子结构的影响.研究表明应变可以有效调控本征和N掺杂4H-SiC的带隙,在拉应变作用下,带隙单调减小;而在压应变作用下,带隙先增大后减小,当压应变为-1%时,带隙达到最大值.对态密度的分析可知本征和N掺杂4H-SiC的价带顶主要来自Si 3p和C 2p态电子,导带底主要来自Si 3p态电子,C 2p态和Si 3p态通过影响价带顶和导带底从而导致应变结构中带隙发生变化.通过Mulliken布局和差分电荷密度分析可知,随着晶格常数的增加Si原子向C原子和N原子转移的电荷减少,同时Si-C原子和Si-N原子之间的共价性减弱.

铁基超导研究中的单轴应变调控方法

在超导和强关联电子材料的研究中,通过引入压力和应变改变晶格参数和对称性,是调控体系电子性质的有效实验手段.在静水压和外延薄膜面内应变的调控中,晶格参数的变化可以引起电子结构的显著改变,进而诱导出新奇的物理现象.相比这两种方法,近年来开始被广泛采用的单轴应变调控方法,除了可以改变晶格参数,还可以直接破缺和调控体系的对称性,影响体系的电子有序态乃至集体激发.弹性单轴应变作为对称性破缺场,可以作为电子向列相及其涨落的探针;应变对超导和电子向列相的调控,也可以为理解体系中电子态的微观机制提供实验依据.本文将介绍单轴应变调控的基本概念、实验方法的发展,以及采用这些方法调控铁基超导体中的超导和电子向列相等方面的一些研究进展,并简单介绍单轴应变在其他量子材料中的应用.

机械致单轴应变SOI晶圆的制备

提出了一种晶圆级单轴应变绝缘层上硅(SOI)的新方法,并阐述了其工艺原理.将直径为100mm(4英寸)的SOI晶圆片在曲率半径为0.75m的弧形弯曲台上进行机械弯曲,弯曲状态下的SOI晶圆片在250℃下进行了20h的热退火处理.对弯曲退火后SOI晶圆片进行了拉曼光谱表征,其拉曼频移为520.3cm-1,小于体硅的典型值,拉曼频移差达到-0.3cm-1,说明弯曲退火后的SOI晶圆片发生了单轴张应变.相应的应变量计算为0.077%,高于文献报道的0.059%.

单轴应变Si n型金属氧化物半导体场效应晶体管源漏电流特性模型

本文在建立单轴应变Si n型金属氧化物半导体场效应晶体管迁移率模型和阈值电压模型的基础上,基于器件不同的工作区域,从基本的漂移扩散方程出发,分别建立了单轴应变Si NMOSFET源漏电流模型.其中将应力的影响显式地体现在迁移率和阈值电压模型中,使得所建立的模型能直观地反映出源漏电流特性与应力强度的关系.并且对于亚阈区电流模型,基于亚阈区反型电荷,而不是采用常用的有效沟道厚度近似的概念,从而提高了模型的精度.同时将所建模型的仿真结果与实验结果进行了比较,验证了模型的可行性.该模型已经被嵌入进电路仿真器中,实现了对单轴应变Si MOSFET器件和电路的模拟仿真.

单轴应变对BaHfO_3电子结构与光学性质的调制影响

从第一性原理出发,在广义梯度近似(GGA)下,采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势计算方法,着重研究了单轴应变对钙钛矿型陶瓷材料BaHfO3电子结构与光学性质的调制影响。研究结果表明:无应变作用时,BaHfO3是一种宽禁带绝缘体;施加单轴应变后其逐渐呈现半导体材料的特征。BaHfO3带隙随拉应变增加线性减小,压应变与带隙则具有明显的非线性关系。对光学性质的分析发现:施加压(拉)应变后,介电函数虚部尖峰增多(减小),光学吸收带边产生蓝移(红移)。此外,单轴应变作用下BaHfO3的静态介电常数和折射率均变大。上述研究表明施加单轴应变有效调制了BaHfO3的电子结构和光学性质,计算结果为应变BaHfO3光电材料的设计与应用提供了一定的理论依据。

基于平衡态分子动力学模拟研究单轴应变对锗热导率的影响

采用平衡态分子动力学方法研究了立方锗的热导率.介绍了平衡态与非平衡态方法的区别.应用Tersoff势描述锗原子之间的相互作用,通过大量的模拟计算得到较为精确的锗的热导率.此外,重点研究了单轴的拉伸和压缩应变对锗热导率的影响.结果表明,在应变方向或垂直应变方向热导率都会随着应变的增大而降低.比较拉伸和压缩应变热导率的变化趋势,间接验证了在平衡后体系单轴施加压强相当于在垂直压强的两个方向施加反向压强.

Mg_2Si单轴应变的结构和电子性能

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了Mg2Si半导体沿[001]方向单轴应变下的结构、力学性质以及电子性质。计算结果表明:无应变时晶格参数和弹性常数与其他理论及实验值吻合的很好。施加应变后,其与应变方向垂直的晶格常数随应变值呈近似线性变化。通过应力-应变曲线和Born力学稳定性判据,确定了Mg2Si化合物在拉伸、压缩过程中的稳定范围和理想强度。Mg2Si的电子布居和电子态密度分析,表明Si-Mg之间的显示离子键特性,并给出了在拉伸压缩过程中Mg和Si原子轨道电子对总的态密度影响。

单轴应变：本构关系——它的内容、方法和意义

论述了单轴应变加载下固体中偏应力的基本含义和偏应力在本构关系研究中的意义。指出了加载-卸载波剖面测量在本构关系研究中的重要作用。建立了测量金属材料在平面冲击压缩下的剪切模量的基本方法，对表征固体材料弹性特性的剪切模量在冲击压缩状态下的物理含义做出了解释。根据剪切模量的一般性定义，建立了描写受冲击材料的准弹性-塑性卸载特性的有效剪切模量与纵波声速和横渡声速的关系。通过同时测量受冲击材料中的追赶稀疏波速度和波后粒子速度，获得了LY12铝在20～110GPa冲击压力和无氧铜在41～104GPa冲击压力下的声速和剪切模量，以及从冲击压缩状态卸载时沿着准弹性卸载路径的声速和有效剪切模量。 对目前广泛使用的描写单轴应变下固体材料的加载-卸载响应特性的SCG本构模型进行了分析，指出该本构关系的局限性，认为这种本构关系原则上不能用来描写受冲击材料的卸载过程。根据LY12铝和无氧铜的实验研究结果，对SCG本构关系中的剪切模量方程进行修正，讨论了修正的物理含义。修正后的方程与实验测量结果符合很好，在此基础上提出新的加载本构方程。 根据铝和铜沿着准弹性卸载路径的声速测量结果，提出了描写受冲击压缩固体的准弹性卸载的有效剪切模量方程和相应的屈服强度方程。建立了单轴应变下包含加载-卸载过程的新的本构方程。根据本文的实验测量结果，给出了铝合金和无氧铜卸载本构方程的解析形式，确定了相关参数。 依据文中提出的加载本构和卸载本构方程，对实验测量的6发LY12铝的波剖面、美国5发6061-T6铝合金的加载-卸载波剖面及冲击波衰减数据，进行了数值模拟计算和预测。计算中采用与本文测量相同的卸载本构参数，计算结果与实验结果符合很好，再现了这些波剖面的准弹性-塑性卸载行为和冲击波衰减行为。对3发无氧铜波剖面的计算模拟，也获得了令人满意的结果。 最后，从现象学出发，对发生在冲击波阵面内的弹-塑性屈服过程进行了分析，对固相区冲击波后材料的状态不在屈服面上的原因进行解释。

γ射线总剂量辐照对单轴应变Si纳米n型金属氧化物半导体场效应晶体管栅隧穿电流的影响

基于γ射线辐照条件下单轴应变Si纳米n型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)载流子的微观输运机制,揭示了单轴应变Si纳米NMOSFET器件电学特性随总剂量辐照的变化规律,同时基于量子机制建立了小尺寸单轴应变Si NMOSFET在γ射线辐照条件下的栅隧穿电流模型,应用Matlab对该模型进行了数值模拟仿真,探究了总剂量、器件几何结构参数、材料物理参数等对栅隧穿电流的影响.此外,通过实验进行对比,该模型仿真结果和总剂量辐照实验测试结果基本符合,从而验证了模型的可行性.本文所建模型为研究纳米级单轴应变Si NMOSFET应变集成器件可靠性及电路的应用提供了有价值的理论指导与实践基础.

氮化硅膜致小尺寸金属氧化物半导体晶体管沟道单轴应变物理机理

应力作用下MOS性能可显著提升,小尺寸MOS沟道中单轴应力的引入可通过在MOS表面覆盖淀积SiN膜实现.虽然该工艺已广泛应用于MOS性能的提升,但有关SiN膜致MOS沟道应力的产生机理、作用机理,以及SiN膜结构与MOS沟道应力类型关联性等方面的研究仍需深入探讨.本文基于ISE TCAD仿真,提出了分段分析、闭环分析和整体性分析三种模型.通过对Si MOS源、栅、漏上多种SiN膜淀积形式的深入分析,揭示了SiN膜致MOS沟道应力产生与作用物理机理.研究发现:1)"台阶"结构是SiN膜导致MOS沟道应变的必要条件;2)SiN膜具有收缩或者扩张的趋势,SiN膜主要通过引起MOS源/漏区域Si材料的形变,进而引起沟道区Si材料发生形变;3)整体SiN膜对沟道的应力等于源/漏上方SiN膜在源/漏所施加的应力、"闭环结构"对沟道内部所施加的应力以及SiN膜的完整性在沟道产生的应力的总和.本文物理模型可为小尺寸MOS工艺制造,以及MOS器件新型应力引入的研究提供有价值的参考.

单轴应变锗带隙特性和电子有效质量计算

应变工程在提升Ge器件性能方面起着重要作用,而能带结构是研究应变Ge电学、光学性质的理论基础.文中通过对角化一个包含自旋轨道相互作用和应变效应的30 k·p哈密顿矩阵,得到了单轴应变锗在整个布里渊区内的能带结构.根据能带色散关系,研究了单轴应变锗导带能谷分裂与偏移、纵向和横向电子有效质量、电子态密度有效质量等随应力的变化情况.计算结果表明:在[001]、[111]方向单轴张应力作用下,锗由间接带隙转变成直接带隙;导带L和Δ能谷纵向、横向电子有效质量并不明显依赖于单轴应力,但沿[111]和[001]方向的单轴压应力可分别使L和Δ能谷态密度有效质量最小,这有利于减小电子散射几率,提升迁移率.

绝缘层上单轴应变硅的应力计算与分析

为了研究晶圆级绝缘体上单轴应变硅的应力分布与应力变化趋势,首先利用绝缘体上硅晶圆在机械弯曲状态下退火的工艺,成功制作了绝缘层上单轴应变硅晶圆,其优点是工艺简单、成本低、应变量高.应用ANSYS仿真软件,重点对不同弯曲半径、不同晶向的机械致绝缘层上单轴应变硅晶圆的应力情况进行了模拟计算.模拟结果表明,应力随弯曲半径的减小而显著增加,且沿弯曲方向的应力最大,适于作为应变互补金属氧化半导体器件的沟道方向,但应力分布的均匀性会随弯曲半径的减小而略有下降.最后利用光纤光栅法对制备的绝缘层上单轴应变硅晶圆的应力分布进行了测量,其结果与ANSYS模拟结果吻合,证明了ANSYS模拟分析的准确性.

小尺寸单轴应变Si PMOS沟道晶面/晶向选择实验新发现

小尺寸单轴应变Si p型金属氧化物半导体(PMOS)沟道反型层迁移率与晶面/晶向密切相关,应变PMOS优化设计时应合理选择沟道的晶面/晶向.目前,文献已有1.5 GPa应力强度下单轴应变Si PMOS沟道反型层迁移率按晶面/晶向排序的理论模型.然而,在器件实际制造过程中,覆盖SiN应力膜工艺是固定的,由于沟道弹性劲度系数具有各向异性,这样,不同晶面/晶向应变PMOS沟道所受应力强度不同,进而导致在实际工艺下沟道反型层迁移率晶面/晶向排序理论模型"失效".针对该问题,本文采用中国科学院微电子研究所40 nm工艺流程制备了不同晶面/晶向40 nm沟道小尺寸单轴应变Si PMOS与未应变Si PMOS,并通过器件转移特性测试,获得了小尺寸单轴应变Si PMOS反型层迁移率晶面/晶向排序结论.此有关小尺寸单轴应变Si PMOS沟道反型层迁移率晶面/晶向排序的相关结论,由于考虑了工艺实现因素,与文献理论预测排序结果相比,更适于指导实际器件制造;相关分析方法也可为其他应变材料沟道MOS相关问题的解决提供重要技术参考.

LaAlO_(3)/KTaO_(3)(111)界面超导的单轴应变调控研究

将单轴应变技术应用于非晶LaAlO_(3)/KTaO_(3)(111)界面超导的调控研究,结果表明,在■晶向上超导临界转变温度随拉伸应变的增大而增大,随压缩应变的增大而减小.弹性电阻率系数的居里-外斯型发散表明KTaO_(3)界面超导具有各向异性.这对于理解KTaO_(3)界面体系超导的物理本质具有十分重要的科学意义.

受单轴应变循环作用层状脆性材料中一组张开型断裂的扩展

岩石中天然张开型断裂(节理)表面的纹理是循环加载的象征。采用表面喷有脆性涂层的有机玻璃(PMMA)薄板为材料的一系列模型实验,研究在层状脆性材料中单轴应变循环对一组断裂扩展的影响。每次实验记录5个可变的几何参数:断裂总数、总长度、平均长度、平均间距和空间密度。在循环条件下,还考虑了应变率和总应变两个主要因素。三组实验为:(1)不同应变;(2)同一应变不同应变率;(3)增加应变循环。研究发现,在循环次数超过某一值后,断裂长度保持不变,几乎不出现新的断裂。随循环次数变化的断裂几何参数在最初的几次循环迅速减小或增大,然后逐渐趋于稳定。大的应变或高的应变率增加断裂的扩展速度和断裂长度。断裂扩展的临界值可表示为循环次数的函数,其值随循环次数增加而减小。不同长度的断裂具有不同的扩展速度,但所有断裂在几次循环之后迅速减小。

单轴应变下CaO和SrO电子结构和光学性质的第一性原理研究

为探究不同单轴应变条件时碱土金属氧化物CaO和SrO晶体材料电子结构和光学性质的影响，采用第一性原理计算方法，利用密度泛函近似理论，对晶体的能带结构、态密度和介电函数进行计算，并利用克喇末一克朗尼格关系得出晶体的光学常数．研究结果表明：无应变时，CaO和SrO晶体是宽禁带且具有直接带隙的铯缘体，施加单轴应变使晶体带隙的宽度变窄，导电性能增强，且单轴压应变对晶体电子结构的影响比拉应变对晶体电子结构影响明显．2种晶体均为各向同性材料，单轴拉应变使静介电常数变大，单轴压应变使静介电常数变小．光子能量在0～15ev时，2种材料折射率、吸收系数和反射率等光学谱的峰位和峰值均受单轴应变的影响较大，单轴拉应变使得各光学谱的峰位向能量低的方向移动，峰值升高；单轴压应变使得光学谱的峰位向能量高的方向移动，峰值降低．同时单轴拉应变使晶体静态介电常数和静折射率增大，压应变使之降低．研究表明单轴应变可以有效调节CaO和SrO的电子结构和光争胜质．

(001)面任意方向单轴应变硅材料能带结构

首先计算了(001)晶面单轴应变张量,在此基础上采用结合形变势理论的K·P微扰法建立了在(001)晶面内受任意方向的单轴压/张应力作用时,应变硅材料的能带结构与应力(类型、大小)及晶向的关系模型,进而分析了不同单轴应力(类型、大小)及晶向对应变硅材料导带带边、价带带边、导带分裂能、价带分裂能、禁带宽度的影响.研究结果可为单轴应变硅器件应力及晶向的选择设计提供理论依据.

[110]／(001)单轴应变Si本征载流子浓度模型

本文首先讨论了在沿[110]方向的单轴应力对体Si材料能带结构参数的影响,在此基础上计算出单轴应变Si中平衡载流子浓度,给出了物理意义明确的导带、价带有效态密度的表达式.最后,结合有效态密度和禁带宽度的表达式,建立了[110]/(001)单轴应变Si本征载流子浓度模型.本文的研究方法亦适用于建立(001)面任意应力方向上的应变Si本征载流子浓度模型,并为相关单轴应变Si器件的设计、建模以及仿真提供了一定的理论参考.

单轴应变条件下Fe从α到ε结构相变机制的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法,研究了沿[001]方向单轴应变条件下Fe从体心立方结构(bcc,α相)到六角密排结构(hcp,ε相)相变的临界压力、相变路径、相变势垒以及相变过程中原子磁性的变化.结果发现:单轴应变条件下Fe从α到ε结构的相变路径与以前理论计算模拟给出的静水压力条件下的相变路径明显不同;原子磁矩沿着相变路径突然降低,同时伴随着能量和体积的突然变化,是典型的一阶磁性相转变,表明原子磁性的丧失导致了bcc结构不稳定而向hcp结构转变.对单轴应变下吉布斯自由能的计算表明,相变势垒随着单轴应变的增加(压力的增加)而降低.同时还就单轴应变条件对相变影响的物理机制进行了讨论.