1、化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Compound Semiconductor Devices微電子學(xué)院微電子學(xué)院戴顯英戴顯英2010.5化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 金屬半導(dǎo)體肖特基接觸金屬半導(dǎo)體肖特基接觸 MESFET HEMT 第五章第五章 金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管結(jié)型場效結(jié)型場效應(yīng)晶體管應(yīng)晶體管 （JFET）金屬半導(dǎo)體金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 （MESFET） MOS 場效應(yīng)場效應(yīng) 晶體管晶體管（MOSFET）場效應(yīng)晶體管（Field Effe

2、ct Transistor, 縮寫為FET）是一種電壓控制器件，其導(dǎo)電過程主要涉及一種載流子，也稱為“單極”晶體管 化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件場效應(yīng)晶體管的分類場效應(yīng)晶體管的分類化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 5.1 金屬半導(dǎo)體肖特基接觸金屬半導(dǎo)體肖特基接觸5.1.1 能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)5.1 （a）接觸前的金屬半導(dǎo)體能帶圖，真空能級處處相同，而費(fèi)米）接觸前的金屬半導(dǎo)體能帶圖，真空能級處處相同，而費(fèi)米能級不同；（能級不同；（b）接觸后的金屬半導(dǎo)體能帶圖，費(fèi)米能級處處相同）接觸后的金屬半導(dǎo)體能帶圖，費(fèi)米能級處處相同1) 勢壘高度勢壘高度以金屬以金屬/n型半導(dǎo)體接觸為例型半導(dǎo)體接觸為例化合物

3、半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件圖圖5.2形成整流接觸的兩種情況：形成整流接觸的兩種情況：（a）ms，n型半導(dǎo)體；（型半導(dǎo)體；（b）m0;0;以耗盡型以耗盡型n溝溝MESFET為例為例溝道未夾斷前：線性區(qū)溝道未夾斷前：線性區(qū)化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 5.2 MESFET溝道剛被夾斷：飽和電壓溝道剛被夾斷：飽和電壓VDsat溝道夾斷后：飽和區(qū)溝道夾斷后：飽和區(qū)3) 輸出特性：輸出特性：V VGSGS=0,V=0,VDSDS0;0;化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 5.2 MESFET3) 輸出特性：輸出特性：V VGSGS=-1,V=-1,VDSDS0;0;4) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性5) 增強(qiáng)型增

4、強(qiáng)型MESFET化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 5.2 MESFET5.2.3 電流電流-電壓特性電壓特性GVDVDI1W2W型n源極a漏極寬度y)(yWGVDVDI1W2W型n源極a漏極寬度y)(yW源極漏極ydyy dy)(yVDVyL0源極漏極ydyy dy)(yVDVyL0溝道區(qū)的放大圖)(a化沿著溝道的漏極電壓變)(b圖 6. 12dx肖克萊緩變溝道近似模型肖克萊緩變溝道近似模型 dy兩端的電壓降兩端的電壓降 耗盡層寬度耗盡層寬度1) 直流直流I-V特性特性 電流電流-電壓關(guān)系式電壓關(guān)系式化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 5.2 MESFET5.2.3 電流電流-電壓特性電壓特性

5、溝道電導(dǎo)溝道電導(dǎo)2 2）直流參數(shù)）直流參數(shù) 飽和電流飽和電流夾斷電壓夾斷電壓飽和電壓飽和電壓 最大飽和漏極電流最大飽和漏極電流最小溝道電阻最小溝道電阻nDV半絕緣襯底SVGVnDV半絕緣襯底SVGVGVnDV半絕緣襯底GVSVnDV半絕緣襯底GVGVSVSV0DIDVV0 . 0GVV1 . 0GVV2 . 0GVV3 . 0GVV4 . 0GV0DIDVV0 . 0GVV1 . 0GVV2 . 0GVV3 . 0GVV4 . 0GV0DIDVV4 . 0GVV3 . 0GVV2 . 0GVV1 . 0GV0DIDVV4 . 0GVV3 . 0GVV2 . 0GVV1 . 0GV0TVGVDI

6、0TVGVDIDI0GVDI0GVMESFET)(耗盡型aMESFET)(增強(qiáng)型b圖 6. 14 IV特性的比較3 3）交流參數(shù)）交流參數(shù)跨導(dǎo)跨導(dǎo)漏導(dǎo)漏導(dǎo)化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 5.2 MESFET5.2.4 負(fù)阻效應(yīng)與高場疇負(fù)阻效應(yīng)與高場疇1)負(fù)阻效應(yīng)負(fù)阻效應(yīng):電子從電子從能谷躍遷能谷躍遷 到到L L能谷，能谷，n n下降。下降。2)高場疇：高場疇：GaAs、InP和和Si材料中載流子的速場關(guān)系材料中載流子的速場關(guān)系柵電場、載流子濃度和載流子?xùn)烹妶?、載流子濃度和載流子漂移速度與耗盡層的關(guān)系漂移速度與耗盡層的關(guān)系化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 5.2 MESFET5.2.5 高頻特

7、性高頻特性高頻小信號分析的方法高頻小信號分析的方法實(shí)驗(yàn)分析：測實(shí)驗(yàn)分析：測S參數(shù)參數(shù)解析模型：從載流子輸運(yùn)機(jī)理出發(fā)，在器件工藝和結(jié)構(gòu)解析模型：從載流子輸運(yùn)機(jī)理出發(fā)，在器件工藝和結(jié)構(gòu) 基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理的數(shù)學(xué)描述?；A(chǔ)上，進(jìn)行合理的數(shù)學(xué)描述。數(shù)值模型：采用有限元或有限迭代方法，求解泊松方程數(shù)值模型：采用有限元或有限迭代方法，求解泊松方程 和電流連續(xù)性方程和電流連續(xù)性方程化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 5.2 MESFET5.2.5 高頻特性高頻特性等效電路：電路的端特性與器件的外部特性是等效的等效電路：電路的端特性與器件的外部特性是等效的 特征頻率特征頻率f fT T：=1=1時的工作頻率時的工

8、作頻率 最高振蕩頻率最高振蕩頻率f fmaxmax：共源功率增益為：共源功率增益為1 1時的頻率時的頻率 影響頻率特性的因素影響頻率特性的因素化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 5.2 MESFET5.2.6 MESFET器件結(jié)構(gòu)舉例器件結(jié)構(gòu)舉例 結(jié)構(gòu)演變結(jié)構(gòu)演變 柵結(jié)構(gòu)柵結(jié)構(gòu)3) 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)MESFET4) GaAs材料的優(yōu)點(diǎn)材料的優(yōu)點(diǎn)大部分的大部分的MESFET是用是用n型型-化合物半導(dǎo)體制成：化合物半導(dǎo)體制成：具有高的具有高的n n和較高的飽和速度，故和較高的飽和速度，故f fT T很高。很高?；衔锇雽?dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 金屬半導(dǎo)體肖特基接觸金屬半導(dǎo)體肖特基接觸 MESFET HE

9、MT 第五章第五章 金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 5.3 HEMT HEMT:high electron mobility (field effect) transistor 2-DEGFET/TEGFET(two-dimensional electron gas field effect transistor) MODFET:modulation-doped field effect transistor Why HEMT?化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 5.3 HEMT5.3.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)-調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)1) 襯底襯底2)

10、 緩沖層緩沖層3) 高阻摻雜層高阻摻雜層4) 臺面腐蝕臺面腐蝕5) 淀積金屬淀積金屬化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 5.3 HEMT5.3.2 器件工作原理器件工作原理1) n+AlxGa1-xAs2) i-GaAs3) 源、漏兩端加電壓源、漏兩端加電壓化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 5.3 HEMT5.3.3 器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì) n+AlxGa1-xAs層層 i-GaAs層層 i-AlxGa1-xAs層層 n+ -GaAs層層以耗盡型為例以耗盡型為例5.3.4 改進(jìn)的改進(jìn)的HEMT結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 緩變組分緩變組分n+AlxGa1-xAs層層 超晶格有源層超晶格有源層 超晶格緩沖層超晶格緩沖層5.3.5 提高提高2DEG濃度的途徑濃度的途徑 多溝道多溝道HEMT EEC C盡可能大的異質(zhì)結(jié)盡可能大的異質(zhì)結(jié)化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 5.3 HEMT1）能帶圖）能帶圖2）閾值電壓）閾值電壓VT3）2DEG的濃度的濃度nS5.3.6 HEMT的基本特性的基本特性不同偏壓下的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)（不同偏壓下的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)（a）VG=0，（，（b）VG=VT（c）VGVT化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 5.3 HEMT5.3.7 電流電壓特性電流電