Physics of strain effects in semiconductors and metal-oxide-semiconductor field-effect transistors

凝聚态物理 半导体 材料科学 有效质量(弹簧-质量系统) 半金属 带隙 场效应晶体管 压力(语言学) 晶体管 物理 光电子学 语言学 量子力学 哲学 电压
作者
Yubing Sun,Scott E. Thompson,Toshikazu Nishida
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:101 (10) 被引量:494
标识
DOI:10.1063/1.2730561
摘要

A detailed theoretical picture is given for the physics of strain effects in bulk semiconductors and surface Si, Ge, and III–V channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistors. For the technologically important in-plane biaxial and longitudinal uniaxial stress, changes in energy band splitting and warping, effective mass, and scattering are investigated by symmetry, tight-binding, and k⋅p methods. The results show both types of stress split the Si conduction band while only longitudinal uniaxial stress along ⟨110⟩ splits the Ge conduction band. The longitudinal uniaxial stress warps the conduction band in all semiconductors. The physics of the strain altered valence bands for Si, Ge, and III–V semiconductors are shown to be similar although the strain enhancement of hole mobility is largest for longitudinal uniaxial compression in ⟨110⟩ channel devices and channel materials with substantial differences between heavy and light hole masses such as Ge and GaAs. Furthermore, for all these materials, uniaxial is shown to offer advantages over biaxial stress: additive strain and confinement splitting, larger two dimensional in-plane density of states, smaller conductivity mass, and less band gap narrowing.
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