Material parameters for the simulation of SiGe- and SiGeC-based heterojonction bipolar transistors
Paramètres matériau pour la simulation de transistors bipolaires à hétérojonctions Si/SiGe et Si/SiGeC
Résumé
In this thesis, a Monte Carlo simulation algorithm has been specifically developed to simulate the homogeneous and stationary transport of charge carriers in bulk ternary random SiGeC alloys. The Monte Carlo simulator employs a numerical Full-Band description of the band structure, and it is suitable for the simulation of both electron and hole transport. Included scattering mechanisms account for carrier-phonon scattering, impact ionization, alloy scattering, ionized impurity scattering, and the Pauli exclusion principle. Theoretical models are calibrated on a complete set of experimental results, and a quantitative agreement is reached between simulation and experiment for many electrical properties, which include low-field mobility, drift velocity, impact ionization coefficient and quantum yield ratios. The final Monte Carlo simulation algorithm is able to simulate majority and minority charge carrier transport in doped ternary SiGeC alloys, relaxed or biaxially strained on a silicon substrate. The Monte Carlo model can be used to extract material parameters required by hydrodynamic device simulators, notably for the simulation of heterojunction bipolar transistors integrating highly-doped SiGeC base layers epitaxially grown on silicon. The implementation of electrical parameters specific to SiGeC alloys enabled us to take into account the germanium, carbon and doping profiles in hydrodynamic simulations of HBT devices. This rigorous description of the electronic properties of SiGeC materials within HBT devices constitutes the current state-of-the-art for the electrical simulation of advanced bipolar transistors.
Dans cette thèse, un algorithme de simulation Monte Carlo est spécifiquement développé pour modéliser le transport homogène et stationnaire des porteurs de charge dans les alliages aléatoires ternaires massifs de type SiGeC. Le simulateur Monte Carlo intègre une description numérique Full-Band de la structure de bande, et il est adapté à la simulation du transport des électrons et des trous. Les mécanismes d'interaction modélisés incluent l'interaction porteur-phonon, l'ionisation parvchoc, la diffusion sur potentiel d'alliage, l'interaction porteur-impureté ionisée, et le principe d'exclusion de Pauli. Les modèles théoriques sont calibrés sur un ensemble complet de résultats expérimentaux, et un accord quantitatif est atteint entre la simulation et la mesure sur de nombreuses propriétés électriques, qui incluent la mobilité à faible champ, la vitesse de dérive, le coefficient d'ionisation et le ratio d'efficacité quantique. L'algorithme de simulation Monte Carlo final est capable de modéliser le transport des porteurs de charge majoritaires et minoritaires dans les alliages ternaires SiGeC dopés, relaxés ou biaxialement contraints sur substrat de silicium. Le modèle Monte Carlo développé peut être utilisé pour extraire les paramètres matériau requis dans les simulateurs hydrodynamiques de dispositifs, notamment dans le cadre de la simulation de transistors bipolaires à hétérojonction intégrant des bases de SiGeC fortement dopées et épitaxiées sur silicium. L'implémentation de paramètres électriques spécifiques aux alliages SiGeC nous ont permis de prendre en compte les profils de germanium, de carbone et de dopants dans les simulations hydrodynamiques de dispositifs TBH. Cette description rigoureuse des propriétés électroniques du matériau SiGeC au sein d'un dispositif TBH constitue l'état de l'art de la modélisation électrique des transistors bipolaires avancés.
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