第五章金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管

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2011.6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 化合物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管化合物半導(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 Ef

2、fect 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(jí)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(jí)處處相同，而費(fèi)米能級(jí)不同；（能級(jí)不同；（b）接觸后的金屬半導(dǎo)體能帶圖，費(fèi)米能級(jí)處處相同）接觸后的金屬半導(dǎo)體能帶圖，費(fèi)米能級(jí)處處相同1) 勢(shì)壘高度勢(shì)壘高度以金屬以金屬/n型半導(dǎo)體接觸為例，假定型半導(dǎo)體接觸

3、為例，假定m m(W(Wm m) ) s s(W(Ws s) )化合物半導(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）mWs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)體肖特基接觸圖圖5.6 載流子通過肖特基勢(shì)壘的輸運(yùn)過程載流子通過肖特基勢(shì)壘的輸運(yùn)過程1、電子從半導(dǎo)體出發(fā)，越過勢(shì)壘頂部熱發(fā)射到金屬中；、電子從半導(dǎo)體出發(fā)，越過勢(shì)壘頂部熱發(fā)射到金屬中；2、電子穿過勢(shì)壘的量子隧穿效應(yīng)；、電子穿過勢(shì)壘的量子隧穿效應(yīng)；3、在空間電荷區(qū)的復(fù)合；、在空間電荷區(qū)的復(fù)合；4、空穴從金屬注入半導(dǎo)體，等效于半導(dǎo)體

4、中性區(qū)的載流子的復(fù)合。、空穴從金屬注入半導(dǎo)體，等效于半導(dǎo)體中性區(qū)的載流子的復(fù)合。2) 電流模型電流模型擴(kuò)散模式：適于厚的阻擋層擴(kuò)散模式：適于厚的阻擋層(X(XD Dlln n) )熱電子發(fā)射模式：熱電子發(fā)射模式：適于輕摻雜、薄阻擋適于輕摻雜、薄阻擋層層(l(ln n X XD D) )隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)：（：（引起引起勢(shì)壘高度降低）勢(shì)壘高度降低）鏡像力效應(yīng)鏡像力效應(yīng)：（勢(shì)：（勢(shì)壘頂向內(nèi)移動(dòng)，使壘頂向內(nèi)移動(dòng)，使勢(shì)壘降低）勢(shì)壘降低）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5.1.3 肖特基二極管肖特基二極管1) 相同之處：都具有單向?qū)щ娦裕ㄕ魈匦裕┫嗤?/p>

5、：都具有單向?qū)щ娦裕ㄕ魈匦裕?) 不同之處：不同之處：pnpn結(jié)：少子器件；擴(kuò)散電流；有電荷存結(jié)：少子器件；擴(kuò)散電流；有電荷存貯效應(yīng)；高頻性能差；貯效應(yīng)；高頻性能差；J JS S小于小于J JSDSD(J(JSTST) )；導(dǎo)通電壓高。；導(dǎo)通電壓高。SchottySchotty勢(shì)壘：多子器件；漂移電流；無電荷存貯效應(yīng)；勢(shì)壘：多子器件；漂移電流；無電荷存貯效應(yīng)；高頻性能好；高頻性能好；J JSDSD(J(JSTST) ) 遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于J JS S；導(dǎo)通電壓低。；導(dǎo)通電壓低。3) 應(yīng)用：應(yīng)用：高速高速TTLTTL金屬金屬- -半導(dǎo)體雪崩二極管半導(dǎo)體雪崩二極管肖特基柵肖特基柵場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體

6、管與與pn結(jié)二極管相比結(jié)二極管相比2) 如何實(shí)現(xiàn)如何實(shí)現(xiàn)1) 定義：定義：5.1.4 歐姆接觸歐姆接觸化合物半導(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 5.2 MESFET5.2.1器件結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)1) 3個(gè)金個(gè)金-半接觸半接觸2) 器件結(jié)構(gòu)參數(shù)器件結(jié)構(gòu)參數(shù)LLgsLgdL源極漏極Za型n襯底半導(dǎo)體絕緣柵極LLgsLgdL源極漏極Za型n襯底半導(dǎo)體絕緣柵極的透視圖MESFET)(a漏極源極柵極aWLDV0GV漏極源極柵極aWLDV0GV柵極區(qū)域的截面圖M

7、ESFET)(b圖 6. 10化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 5.2 MESFET5.2.2 工作原理工作原理1) 偏置電壓偏置電壓2) 溝道電阻溝道電阻3) 輸出特性：輸出特性：V VGSGS=0,V=0,VDSDS0;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

8、特性：V VGSGS=-1,V=-1,VDSDS0;0;4) 轉(zhuǎn)移特性：轉(zhuǎn)移特性：VDS一定時(shí)，一定時(shí)，ID隨隨VGS的變化規(guī)律的變化規(guī)律-跨導(dǎo)跨導(dǎo)gm5) 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MESFET:未加?xùn)艍海ㄎ醇訓(xùn)艍海╒GS=0）時(shí)，溝道就已夾斷）時(shí)，溝道就已夾斷化合物半導(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

9、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 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 .

10、 0GVV1 . 0GVV2 . 0GVV3 . 0GVV4 . 0GV0DIDVV4 . 0GVV3 . 0GVV2 . 0GVV1 . 0GV0DIDVV4 . 0GVV3 . 0GVV2 . 0GVV1 . 0GV0TVGVDI0TVGVDIDI0GVDI0GVMESFET)(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)負(fù)阻效應(yīng)電子從電子從能谷躍遷到能谷躍遷到L L能谷，能谷，n n下降。下降。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

11、場關(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 高頻特性高頻特性高頻小信號(hào)分析的方法高頻小信號(hào)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

12、件的外部特性是等效的1)1)特征頻率特征頻率f fT T：=1=1時(shí)的工作頻率時(shí)的工作頻率2)2)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(shí)的頻率時(shí)的頻率3)3)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1) 結(jié)構(gòu)演變結(jié)構(gòu)演變最初形式：有源層直接在半絕緣（最初形式：有源層直接在半絕緣（SISI）襯底上）襯底上 器件特性：噪聲特性差器件特性：噪聲特性差 原因：襯底上缺陷的影響原因：襯底上缺陷的影響演變演變：在襯底與有源層間加一不摻雜的緩沖層：在襯底與有源層間加一

13、不摻雜的緩沖層 目的：減小襯底缺陷的影響目的：減小襯底缺陷的影響 器件性能：噪聲及增益較器件性能：噪聲及增益較有所改善有所改善演變演變：在源、漏金屬電極與有源層間插入一：在源、漏金屬電極與有源層間插入一n n+ +層層 目的：減小串聯(lián)電阻目的：減小串聯(lián)電阻R RS S、R RD D演變演變：凹槽結(jié)構(gòu)：凹槽結(jié)構(gòu) 作用：降低漏端的電場作用：降低漏端的電場 目的：提供目的：提供BVBVDSDS，增加，增加p p0 0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

14、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2)柵結(jié)構(gòu)柵結(jié)構(gòu)半絕緣柵：在柵電極與有源層間加一半絕緣柵：在柵電極與有源層間加一SISI區(qū)區(qū) 作用：減小電容作用：減小電容C Cg g, ,減低柵極反向漏電；提供減低柵極反向漏電；提供BVBVGSGS, ,改改善微波特性。善微波特性。柵緩沖層：在柵電極與有源層間加一緩沖層?xùn)啪彌_層：在柵電極與有源層間加一緩沖層 作用：與作用：與相同相同埋（層）柵：埋（層）柵： 作用：與凹型槽柵相似作用：與凹型槽柵相似自對(duì)準(zhǔn)柵：自對(duì)準(zhǔn)柵： 作用：減少表面能級(jí)的影響作用：減少表面能級(jí)的影響雙柵：雙柵：G G1 1是信號(hào)柵，是信號(hào)柵，G

15、 G2 2是控制柵是控制柵 優(yōu)點(diǎn)（與單柵比）：兩個(gè)柵極可分別控制；漏端一優(yōu)點(diǎn)（與單柵比）：兩個(gè)柵極可分別控制；漏端一側(cè)的側(cè)的G G2 2可減小器件內(nèi)部反饋，從而提高增益，增加可減小器件內(nèi)部反饋，從而提高增益，增加穩(wěn)定性。穩(wěn)定性?；衔锇雽?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3) 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)MESFET雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)MESFETMESFET G G極：金屬極：金屬AlAl； 層：層：Al0.48In0.52AsAl0.48In0.52As，60nm60nm； 層：層：Ga0.47In0.53AsGa0.47In0.53As，145nm1

16、45nm；（有源層或溝道層）；（有源層或溝道層） 層：層：Al0.48In0.52AsAl0.48In0.52As，100nm100nm； 襯底：襯底：(100)InP(100)InP。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：GaInAsGaInAs比比GaAsGaAs具有更高的低場具有更高的低場n n和和v vp p，從而使器件，從而使器件 具有較高的具有較高的g gm m和工作速度；和工作速度； AlInAsAlInAs與與InPInP襯底晶格匹配好，可降低界面陷阱。襯底晶格匹配好，可降低界面陷阱。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3) 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)

17、MESFET具有界面反型的異質(zhì)結(jié)具有界面反型的異質(zhì)結(jié)MESFETMESFETa.a.窄禁帶材料窄禁帶材料-GaAs-GaAs: :做在做在SISI襯底上；襯底上；b.Schottyb.Schotty結(jié)：做在寬禁帶的結(jié)：做在寬禁帶的n n+ +AlxGa1-xAsAlxGa1-xAs上；上；c.c.反型層的形成：在異質(zhì)結(jié)界面處的反型層的形成：在異質(zhì)結(jié)界面處的p-GaAsp-GaAs表面（通過調(diào)表面（通過調(diào) 節(jié)節(jié)x x、N NA A、N ND D）d.d.器件特性：有較高的器件特性：有較高的g gm m和工作速度和工作速度4 4）GaAsGaAs材料的優(yōu)點(diǎn)（與材料的優(yōu)點(diǎn)（與SiSi相比）相比）n

18、n約高約高5 5倍；倍；v vp p( (峰值速度）是峰值速度）是SiSi飽和速度的飽和速度的2 2倍；倍；半絕緣襯底：漏電?。话虢^緣襯底：漏電小；良好的歐姆接觸。良好的歐姆接觸?；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 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 5.3 HEMT HEMT:high electron mobility (field effect) transistor 2-DEGFET/TEGFET(two-dimensional electron gas field

19、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) 緩沖層緩沖層3) 高阻摻雜層高阻摻雜層4) 臺(tái)面腐蝕臺(tái)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)

20、構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)1) n+AlxGa1-xAs層層2) i-GaAs層層3) i-AlxGa1-xAs層層4) 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)1) 緩變組分緩變組分n+AlxGa1-xAs層層2) 超晶格有源層超晶格有源層3) 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1) 多溝道多溝道HEMT2)2)E EC 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壓特性1）漏極電流）漏極電流ID2）ID-VDS關(guān)系曲線（伏安特性）關(guān)系曲線（伏安特性）化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 5.3 HEMT5.3.8 贗高電子遷移率晶體管贗高電子遷移率晶體管-PHEMT1）PHEMT的器件結(jié)構(gòu)的器件結(jié)構(gòu)2）PHMET的工作原理的工作原理3）PHMET的特點(diǎn)的特點(diǎn)PHEMT能帶圖能帶圖PHEMT結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖贗：贗：Pseudomorphic，贗形體，贗晶，