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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10481/23878

Title: Simulation tools for micro and nano-device modeling
Other Titles: Desarrollo de herramientas de simulación para micro y nano dispositivos
Authors: Luque Rodríguez, Abraham
Direction: Jiménez Tejada, Juan Antonio
Rodríguez Bolívar, Salvador
Simoen, Eddy
Collaborator: Universidad de Granada. Departamento de Electrónica y Tecnología de Computadores
Issue Date: 2013
Submitted Date: 7-Sep-2012
Abstract: Muchos de los avances tecnológicos de los que podemos disfrutar hoy en día no se hubieran llegado a alcanzar sin la ayuda de los computadores. Un claro ejemplo se puede encontrar en la industria de los semiconductores, aunque es extensible a muchos otros campos. Un entendimiento detallado de los procesos físicos que se producen dentro de los dispositivos electrónicos no es suficiente para poder predecir o describir el funcionamiento de dichos dispositivos. En muchos casos, la complejidad y entramado de dichos mecanismos hace imposible obtener una solución analítica. Aquí entra en juego el cálculo numérico, el cual encuentra en los ordenadores su mejor baza. Los simuladores están siendo ampliamente empleados en la industria de los semiconductores no sólo por ser capaces de dar una descripción aceptable del funcionamiento de los dispositivos y reproducir los datos experimentales, sino también por poder emplearse para prever el funcionamiento de estructuras o dispositivos que aún no han sido fabricados. Esta tesis se centra en el desarrollo y aplicación de herramientas de simulación para micro y nano dispositivos. Dentro de estas herramientas existen tanto herramientas comerciales, actualmente disponibles para llevar a cabo distintos tipos de simulaciones, como otras que han sido expresamente desarrolladas por nuestro grupo. Uno de los principales corolarios obtenidos tras esta tesis es que una combinación de ambos tipos de herramientas es lo que imprimiría más versatilidad y potencia al estudio. Así pues, estas herramientas son empleadas en el estudio de tres temas muy candentes en el campo de la electrónica: i) estudio de las corrientes de pérdidas en heterouniones estresadas de SiGe/Si, ii) caracterización de trampas en transistores multipuerta por medio de medidas y simulación de ruido, y iii) estudio de la estructura de minibandas y coeficiente de absorción en nanoestructuras ordenadas y periódicas. En un primer bloque, se estudian las corrientes de pérdidas que tienen lugar en las heterouniones de SiGe/Si estresadas. Si en un transistor convencional de Si se sustituye el material de fuente y drenador por otro que tenga una constante de red ligeramente diferente, por ejemplo SiGe, aparecen unas tensiones mecánicas dentro del material que cambiarían las propiedades físicas de dicho material. Más concretamente, dichas tensiones producen una deformación de los elipsoides, lo que implica una reducción en la masa efectiva de los portadores que hace que aumente la corriente de conducción. No obstante, aunque la corriente de conducción del transistor se ve significativamente mejorada, la presencia de heterouniones hace que las corrientes de pérdidas en el estado de no conducción sean tan significativas que se vea comprometido su funcionamiento. En este sentido, el estudio e identificación de los mecanismos que producen dichas corrientes de pérdidas es muy importante para poder así buscar soluciones y mejorar el funcionamiento de estos transistores. En esta parte se ha utilizado herramientas comerciales de simulación para llevar a cabo dicho estudio. La simulación de dichas corrientes ha sido llevada a cabo mediante el simulador comercial de dispositivos electrónicos Medici. El ajuste entre medidas experimentales y los resultados obtenidos mediante simulación han permitido identificar al mecanismo de generación-recombinación Shockley-Read-Hall como el principal causante de dichas corrientes de pérdidas. Este mecanismo depende fuertemente del número de trampas o defectos presentes en el dispositivo a través del parámetro tiempo de vida media. De este modo se propone un modelo que relaciona el contenido de germanio del compuesto SiGe y los máximos niveles de tensión mecánica presentes en la estructura con el tiempo de vida media de los portadores. Este resultado pone de manifiesto que los simuladores comerciales poseen carencias que impedirían obtener unos resultados que concuerden con los datos experimentales. Una posible solución sería incorporar manualmente al simulador comercial los nuevos modelos desarrollados. En este sentido, se necesitaría caracterizar previamente las trampas presentes en estos dispositivos para así poder incluirlas dentro de la simulación de la respuesta estática. En otro segundo bloque se presentan técnicas de caracterización de trampas presentes en transistores con diferentes topologías, utilizando para ello medidas experimentales de la característica estática y de ruido. La detección y caracterización de trampas es una tarea importante y frecuente en el campo de los dispositivos electrónicos pues éstas determinan en muchas ocasiones un adecuado funcionamiento del dispositivo: bajo ruido y bajas perdidas, entre otras características. Cada vez más trabajos destacan que las medidas de ruido complementadas con simulaciones pueden ser utilizadas como una poderosa herramienta para la caracterización de trampas. Las medidas de ruido de baja frecuencia muestran principalmente dos espectros: uno de tipo Lorentziano y otro del tipo flicker o 1/f. La reproducción numérica del primer espectro nos permite caracterizar trampas presentes en el volumen del semiconductor, mientras que el segundo nos ayuda a la caracterización de trampas dentro de los óxidos. Esta tesis toma como partida el transistor de efecto campo de cuatro puertas (G4FET) donde se desarrollan los modelos necesarios para reproducir las medidas experimentales de ruido. Éste es un transistor multipuerta de reciente creación por lo que hay que adaptar los modelos de ruido para su simulación y estudio. Para llevar a cabo dicha tarea, se emplea un simulador desarrollado por nuestro grupo que resuelve autoconsistentemente las ecuaciones de difusión-deriva y Poisson en dos dimensiones. Empleando dicho simulador y los modelos desarrollados para el ruido se consigue caracterizar las trampas presentes en el volumen y dentro de los óxidos, así como proponer configuraciones donde se optimiza el funcionamiento del G4FET mediante minimización de las figuras de ruido y maximización de la transconductancia. No obstante, en el proceso de ajuste entre simulaciones y medidas experimentales se encuentran pequeñas divergencias que ponen de manifiesto la necesidad de introducir aproximaciones de segundo orden en los modelos de ruido. Un ejemplo de ello se encuentra en las pendientes del ruido 1/f o flicker. Experimentalmente se ha observado que dicha pendiente puede variar según 1/(f^x), donde 0.8< x <1.2. Esta desviación del comportamiento ideal (x =1) puede ser atribuida a una distribución de trampas dentro de los óxidos no uniformes con respecto a la profundidad. Así pues, incorporando las no uniformidades, este nuevo modelo se aplica a la caracterización de trampas dentro de los óxidos. Se demuestra que su aplicación es también extensible a puertas apiladas de diferentes materiales donde se emplean materiales de alta constante dieléctrica. Las exigencias de la industria hacen que constantemente se exploren nuevas topologías de transistores de efecto campo, surgiendo de esa manera nuevas aplicaciones y mejoras. Dentro de este grupo podemos enmarcar diferentes transistores multipuerta, como es el caso del mencionado G4FET o los finFETs o el \textit{triple-gate transistor}, etc. Las técnicas de caracterización empleadas en el G4FET se han trasladado a otros transistores multipuerta empleados hoy en día en la industria electrónica, como es el caso de los transistores de óxido enterrado de lámina ultradelgada (UTBOX). La motivación del tratamiento de dichos transistores es debida a la utilización de estos transistores para las memorias dinámicas de acceso aleatorio de un solo transistor (1T-DRAM). Esta nueva aplicación promete reducir considerablemente la densidad de integración de las memorias RAM al estar formada su celda unidad solamente por un transistor, eliminando así la voluminosa capacidad de la DRAM convencional. Uno de los resultados más destacado de esta parte es que la frecuencia de corte del espectro Lorentziano depende del voltaje de puerta. Esto entraría en conflicto con lo ampliamente aceptado para los transistores convencionales. En esta tesis se dan las claves de por qué se observa esta tendencia y cómo se puede aprovechar esta característica en transistores completamente agotados para conseguir realizar espectroscopías a temperatura ambiente caracterizando así más precisamente las trampas presentes en dichos transistores. Finalmente, en un último bloque, se presenta un estudio de la estructura de minibandas y del coeficiente de absorción en nanoestructuras ordenadas y periódicas. La inclusión de pequeños volúmenes manométricos de un material semiconductor ordenadamente repetidos dentro del seno de otro material semiconductor produce como resultado un nuevo pseudomaterial que tiene propiedades intermedias a las de los dos materiales originales. Además, estas propiedades pueden ser modificadas a conveniencia cambiando la distribución y/o forma del material nanométrico. De esta manera, una de las motivaciones del uso de estos pseudomateriales sería el poder ajustar una determinada propiedad de un material a un valor deseado. Esto lo hace muy interesante en aplicaciones optoelectrónicas, donde se podrían crear fotodetectores o emisores que trabajasen a una determinada longitud de onda deseada. No obstante, para sacar el máximo rendimiento a estos pseudomateriales es necesaria una mínima cantidad de orden. Hoy en día, pocas técnicas permiten crear estos pseudomateriales bien ordenados, y las que lo consiguen, no llegan a trabajar con tamaños suficientemente pequeños para observar los efectos cuánticos. Es por eso, que esta tesis pretende anticipar en este tema los resultados y servir como guía para centrar los esfuerzos en determinadas direcciones. Proporcionando unas directrices para obtener los resultados deseados y evitar caminos que no lleguen a un buen provecho. Estas nanoestructuras se clasifican según el número de dimensiones en el que se realice el confinamiento. Así pues se denomina pozo cuántico cuando el confinamiento es en una dimensión, hilo cuántico para dos dimensiones y punto cuántico para tres dimensiones. En este bloque nos centramos en los dos últimos casos. El procedimiento y expresiones necesarias para calcular las minibandas y el coeficiente de absorción son presentados en esta parte. Aunque, en un principio se podría calcular la estructura de minibandas que aparece en la banda de conducción y valencia. Nosotros nos centramos solamente en los procesos de absorción intrabanda para la banda de conducción ya que para los procesos de absorción interbanda habría que tener en cuenta interacciones fonón-fotón. Uno de los resultados más relevantes en este tema es la independencia de la energía umbral para el coeficiente de absorción con el volumen. Los resultados han señalado que puntos cuánticos con igual aspecto (por ejemplo: cúbicos, alargados o aplanados) empiezan a absorber luz a una determinada energía, independientemente del volumen de dichos puntos cuánticos. Esto implicaría que, a la hora de fabricar fotodetectores, la forma del punto cuántico sea más importante que obtener un volumen constante.
Sponsorship: Tesis Univ. Granada. Departamento de Electrónica y Tecnología de Computadores
The research was supported financially by Ministerio de Educación y Ciencia and FEDER within the framework of research Project TEC2007-66812 and TEC2010-16211
Publisher: Universidad de Granada
Keywords: Electrónica
Computación
Simulación por ordenadores
UDC: 621.316
621.38
3304
URI: http://hdl.handle.net/10481/23878
ISBN: 9788490283493
Rights : Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 License
Citation: Luque Rodríguez, A. Simulation tools for micro and nano-device modeling. Granada: Universidad de Granada, 2013. 161 p. [http://hdl.handle.net/10481/23878]
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