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出版者:CRC Pr I Llc

作者:Sarangapani, Jagannathan

出品人:

页数:536

译者:

出版时间:2007-4

价格:$ 178.48

装帧:HRD

isbn号码:9780824726751

丛书系列:

图书标签:

• 无线自组织网络
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好的，这是一本关于先进半导体器件物理与制造技术的专业书籍的详细简介： --- 书籍名称：先进半导体器件物理与制造技术 导言：定义微纳电子时代的基石 在当前信息技术飞速发展的浪潮中，半导体技术无疑是驱动全球创新的核心引擎。从智能手机、高性能计算（HPC）到物联网（IoT）和人工智能（AI），所有这些突破性应用的实现，都依赖于对半导体材料和器件性能的极限挖掘。本书《先进半导体器件物理与制造技术》旨在提供一个全面、深入且高度专业的视角，聚焦于构成现代电子设备基础——先进半导体器件的内在物理机制、前沿设计理念以及实现这些设计的复杂制造工艺。 本书并非对现有集成电路（IC）设计流程的简单罗列，而是深入探讨了驱动摩尔定律持续演进的深层次科学原理与工程挑战。它为研究生、高级工程师以及对微纳电子学有浓厚兴趣的科研人员提供了一个坚实的理论框架和实践指导，以应对下一代电子系统的性能、功耗和可靠性需求。 第一部分：半导体基础物理与材料科学的深度拓展 本部分构筑了理解先进器件的理论基石，将经典半导体物理提升到了考虑量子效应和新材料特性的前沿水平。 第一章：晶体结构、能带理论与载流子动力学的新视野 本章超越了传统的Si材料模型，深入探讨了III-V族、II-VI族化合物半导体以及新兴的二维（2D）材料（如石墨烯、过渡金属硫化物）的电子结构。重点解析了应变工程（Strain Engineering）如何通过晶格失配调控能带结构和载流子有效质量，从而优化器件性能。载流子输运方面，详细分析了高电场下的热载流子效应、隧道效应的定量模型，以及在极小尺寸器件中无法忽略的量子限制和表面散射机制。此外，对缺陷和俘获态的统计物理学分析，对于理解器件的可靠性至关重要。 第二章：新型半导体材料与异质结构界面物理 半导体器件的未来越来越依赖于异质结的精妙设计。本章聚焦于硅基CMOS的物理极限和下一代晶体管的候选者。详细阐述了FinFET（鳍式场效应晶体管）和GAAFET（全环绕栅极晶体管）中的载流子输运、静电控制能力（如短沟道效应的抑制）的物理机理。此外，对III-V族/硅异质结构（如InGaAs/InP）在高速电子学中的应用进行了深入探讨，特别是界面态密度（Interface Trap Density, $D_{it}$）如何影响器件的跨导和漏电流。新兴的铁电体（Ferroelectrics）和二维材料在存储器和逻辑器件中的应用潜力，也基于其独特的电学特性进行了物理层面的剖析。 第二部分：先进晶体管结构与工作原理的精细化分析 本部分是本书的核心，专注于当前主流及未来晶体管技术的设计哲学和物理限制。 第三章：CMOS器件的物理极限与短沟道效应的量化分析 随着特征尺寸的不断缩小，传统的MOSFET模型面临严峻挑战。本章详细推导了DIBL（漏致势垒降低）、阈值电压滚降（$V_{th}$ Roll-off）的物理根源，并引入了亚阈值摆幅（Subthreshold Swing, SS）的物理下限分析。通过电荷共享模型和二维泊松方程的数值解，量化了栅氧化层厚度（$T_{ox}$）和沟道掺杂轮廓对器件特性的决定性影响。针对这些极限，本书提出了超薄体（UTB）和高K/金属栅极（HKMG）技术的物理优势，阐述了它们如何重新定义了栅极的电学长度尺度。 第四章：超越CMOS：新一代晶体管的物理挑战 本章探索了超越平面结构的革命性晶体管。 1. FinFET与GAAFET的静电控制优化： 深入分析了Fin的几何参数（高度、宽度）和栅极覆盖率对沟道耦合效率的影响。对于GAAFET，特别是Nanosheet结构，重点讨论了环绕比（Wrapping Ratio）如何精确调控有效栅极长度和器件的阈值电压稳定性。 2. 隧道场效应晶体管（TFET）： 详细讲解了TFET基于带间隧穿（Interband Tunneling）的超低功耗潜力。分析了其关键的$SS < 60 ext{mV/decade}$的实现机制，包括源区能带对齐和隧穿窗口的调控，以及如何克服其低“开态”电流（$I_{ON}$）的挑战。 3. 自旋电子学器件（Spintronics）： 探讨了电子自旋在信息处理中的应用。重点分析了巨磁阻效应（GMR）和隧道磁阻效应（TMR）的物理基础，以及自旋转移矩（STT）和自旋轨道矩（SOT）在磁性随机存取存储器（MRAM）中的应用潜力，特别是自旋注入和自旋传输的有效性。 第三部分：尖端制造工艺与可靠性工程的集成挑战 本部分将理论物理与实际的纳米级制造流程相结合，探讨如何将先进的器件结构转化为可量产、高可靠性的芯片。 第五章：原子层级精密制造技术（ALD与Epitaxy） 先进器件的制造精度已达到原子级别。本章详述了原子层沉积（ALD）技术在实现超薄、高均匀性、高介电常数栅极薄膜（如HfO2）中的核心作用。着重分析了ALD的表面化学反应机理、自限制生长过程，以及如何控制界面化学以最小化固定电荷和界面陷阱密度。对于沟道工程，详细介绍了外延生长（Epitaxy）技术，尤其是在异质结构中实现应变硅（Strained Silicon）和硅锗（SiGe）通道的精确组分和厚度控制，以及由此带来的载流子迁移率提升的物理量化。 第六章：互连技术、应力管理与器件可靠性 在纳米尺度下，互连电阻和延迟成为性能瓶颈。本章分析了铜（Cu）互连技术，包括阻挡层和籽晶层的选择对电阻率的影响。重点讨论了低K（Low-k）介电材料的引入，以及它们带来的工艺窗口收窄和机械稳定性挑战。 可靠性是先进工艺的生命线。本章深入探讨了负偏压中性子捕获（NBTI）和热载流子注入（HCI）的物理机制，它们如何导致阈值电压漂移和跨导下降。详细介绍了电迁移（Electromigration）的物理模型及其在金属线和晶体管沟道中的影响，以及如何通过应力工程（Stress Engineering）和掺杂轮廓优化来增强器件的长期可靠性。 结论：面向未来的集成与展望 本书最后总结了当前面临的主要瓶颈，如功耗密度上升（Thermal Design Power, TDP）和器件尺寸缩小的物理终结问题。展望未来，本书探讨了如新型存储器（ReRAM, PCM）与逻辑电路的集成、量子计算中半导体基元的物理要求，以及集成光电子学对半导体材料提出的新挑战。 --- 本书的结构旨在形成一个从微观物理到宏观工程的完整闭环，为读者提供一个理解并推动下一代半导体技术发展的必要知识体系。它专注于“为什么”和“如何”——即器件运行的物理原理和实现这些原理所需的精密制造技术。

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