Høj k
High-k er en teknologi til produktion af MOS - halvlederenheder med et gate-dielektrikum lavet af et materiale med en statisk permittivitet , der er større end siliciumdioxidens (3.9). Materialer med høj permeabilitet, som faktisk bruges i elektronik, kaldes "alternative dielektrika", blandt dem zirconiumdioxid og hafniumdioxid (for begge er permeabiliteten omkring 25). Navnet "høj-k" kommer fra den ikke helt standardbetegnelse for dielektrisk konstant med bogstavet (kappa), som på grund af den ikke-universelle udbredelse af græske skrifttyper blev erstattet af latin . Den korrekte udtale er "hi-kay", men det er ikke ualmindeligt at sige "hi-ka". Traditionelt bruges symbolet (epsilon) for permeabilitet , men udtrykket "høj " har ikke slået igennem.
Begrundelse for brugen
Anvendt i MOS - transistorer som et gate dielektrisk materiale, har siliciumdioxid flere fordele:
- dyrket på overfladen af krystallen ved højtemperaturoxidation, som giver dig mulighed for nøjagtigt at kontrollere dens tykkelse og ensartethed;
- har god vedhæftning med siliciumsubstrat ;
- har en lav koncentration af defekter.
- har gode isolerende egenskaber;
- har høj kemisk og termisk stabilitet.
Men når du bruger det, støder reduktion af størrelsen af transistorer på grundlæggende vanskeligheder.
Transistorens mætningsstrøm er:
,
hvor
- I D er kanalstrømmen;
- W er kanalbredden;
- L er kanallængden;
- μ er bærerens mobilitet;
- C inv er gate-kapacitansen, når kanalen er i inverteret tilstand;
- V G - spænding ved transistorens port;
- V T er inversionslagets dannelsesspænding (transistoråbningsspænding).
Gatekapacitansen for en transistor med en idealiseret plan-parallel form er:
,
hvor
- κ er materialets dielektriske konstant (nogle gange omtalt som ε);
- ε 0 - elektrisk konstant ;
- S er portområdet;
- d er tykkelsen af dielektrikumet.
Når arealet af transistoren falder, falder portkapacitansen, hvilket begrænser strømmen, der strømmer gennem den. En måde at øge gate-kapacitansen på er at reducere tykkelsen af gate-dielektrikumet. Men når tykkelsen er mindre end 3 nm, opstår der en lækstrøm på grund af tunneleringen af ladninger gennem dielektrikumet. Med et yderligere fald i tykkelsen af dielektrikumet stiger lækstrømmen eksponentielt.
Et andet problem, der opstår med et fald i tykkelsen af portdielektrikumet, er et fald i enhedens pålidelighed. Bevægelsen af ladningsbærere i transistoren fører til udseendet af defekter i dielektrikumet og i dets grænseflade med substratet. Reduktion af tykkelsen af dielektrikumet reducerer det kritiske niveau af antallet af defekter, når enheden svigter .
At fremstille det gate dielektriske materiale med et materiale med høj permittivitet gør det muligt at øge dets tykkelse og samtidig øge gate-kapacitansen, hvilket giver en reduktion i lækstrøm med flere størrelsesordener sammenlignet med et tyndere siliciumdioxid-dielektrikum, der giver samme gate-kapacitans.
Se også
Noter
Litteratur
- High-k Gate Dielectrics / Michel Houssa. - CRC Press, 2004. - 601 s. - (Serie i materialevidenskab og teknik). — ISBN 0750309067 .
- Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials / Safa Kasap, Peter Capper, Cyril Koughia. - Springer, 2007. - 1406 s. - (Springer håndbøger). — ISBN 0387291857 .