13、低温硅技术的可靠性研究

低温硅技术的可靠性研究

在半导体器件领域，低温环境下硅技术的可靠性是一个重要的研究方向。本文将深入探讨低温环境下硅器件的一些关键特性，包括电子速度、雪崩和击穿效应等。

1. 不同温度下器件的电子速度

在不同温度（300K、77K 和 4.2K）下，不同电沟道长度的器件的平均电子速度有所不同。对于最短的器件长度，在 4.2K 和 77K 时存在速度过冲现象，即有效载流子速度 $V_{ef}$ 大于该温度下的体饱和速度。速度过冲在室温下的绝缘体上硅 MOSFET 以及 77K 下更复杂的 MOSFET 结构中也有观察到。此外，在低温（50 - 300K 范围）的 Si 和 SiGe 双极晶体管中，存在非平衡基极传输现象。当基极宽度缩小到 0.1µm 以下时，会出现（近）弹道少数载流子传输，且在低温下这种传输会增强。

2. 雪崩和击穿效应概述

在半导体器件结构中，高电场下的碰撞电离会引发许多寄生现象，降低器件的性能和功能寿命，导致可靠性问题。高电场区域通常出现在 p - n 结中，这是许多半导体器件的重要组成部分。不过，在某些情况下，如旨在获得高倍增因子的雪崩探测器二极管，这些效应可以被有益地利用。碰撞电离引发的主要效应是雪崩倍增，它通常会导致反向偏置 p - n 结的反向（泄漏）电流显著增加，因为会产生额外的自由载流子对。当电场足够大时，会导致器件的雪崩击穿。在显著的掺杂剂冻结现象发生的温度下，可以观察到半导体材料的所谓杂质击穿。此外，还有一些不太为人所知的现象与碰撞或浅能级碰撞电离有关。

3. 低温下硅电阻器的电荷传输

考虑一个一维（1D）的 n 型半导体结构，它具有均匀的掺杂密度 $N_D$，并带有两个欧姆 $n