第五章金屬半導體場效應晶體管

化合物半導體器件

CompoundSemiconductorDevices

微電子學院

戴顯英

2011.6金屬半導體肖特基接觸MESFETHEMT第五章化合物半導體場效應晶體管場效應晶體管場效應晶體管結(jié)型場效應晶體管（JFET）金屬－半導體場效應晶體管（MESFET）MOS場效應晶體管（MOSFET）場效應晶體管（FieldEffectTransistor,縮寫為FET）是一種電壓控制器件，其導電過程主要涉及一種載流子，也稱為“單極”晶體管

場效應晶體管的分類

5.1金屬半導體肖特基接觸5.1.1能帶結(jié)構(gòu)5.1（a）接觸前的金屬半導體能帶圖，真空能級處處相同，而費米能級不同；（b）接觸后的金屬半導體能帶圖，費米能級處處相同1)勢壘高度以金屬/n型半導體接觸為例，假定Φm(Wm)>Φs(Ws)圖5.2形成整流接觸的兩種情況：（a）Фm>Фs，n型半導體；（b）Фm<Фs，p型半導體；（c）肖特基接觸I-V特性

5.1金屬半導體肖特基接觸2)阻擋層:半導體一側(cè)高阻的空間電荷區(qū)（勢壘區(qū)）3)反阻擋層：半導體一側(cè)很薄的高導電層

5.1金屬半導體肖特基接觸5.1.2基本模型-整流理論圖5.5外加偏壓時肖特基接觸的能帶圖（a）正向偏壓，（b）反向偏壓1)外加電壓以金屬/n型半導體接觸為例，且Wm>Ws

5.1金屬半導體肖特基接觸圖5.6載流子通過肖特基勢壘的輸運過程1、電子從半導體出發(fā)，越過勢壘頂部熱發(fā)射到金屬中；2、電子穿過勢壘的量子隧穿效應；3、在空間電荷區(qū)的復合；4、空穴從金屬注入半導體，等效于半導體中性區(qū)的載流子的復合。2)電流模型①擴散模式：適于厚的阻擋層(XD>>ln)②熱電子發(fā)射模式：適于輕摻雜、薄阻擋層(ln>>XD)隧道效應：（引起勢壘高度降低）鏡像力效應：（勢壘頂向內(nèi)移動，使勢壘降低）

5.1金屬半導體肖特基接觸5.1.3肖特基二極管1)相同之處：都具有單向?qū)щ娦裕ㄕ魈匦裕?)不同之處：①pn結(jié)：少子器件；擴散電流；有電荷存貯效應；高頻性能差；JS小于JSD(JST)；導通電壓高。②Schotty勢壘：多子器件；漂移電流；無電荷存貯效應；高頻性能好；JSD(JST)遠大于JS；導通電壓低。3)應用：①高速TTL②金屬-半導體雪崩二極管③肖特基柵場效應晶體管與pn結(jié)二極管相比2)如何實現(xiàn)1)定義：5.1.4歐姆接觸金屬半導體肖特基接觸MESFETHEMT第五章金屬半導體場效應晶體管

5.2MESFET5.2.1器件結(jié)構(gòu)1)3個金-半接觸2)器件結(jié)構(gòu)參數(shù)

5.2MESFET5.2.2工作原理1)偏置電壓2)溝道電阻3)輸出特性：①VGS=0,VDS>0;以耗盡型n溝MESFET為例溝道未夾斷前：線性區(qū)

5.2MESFET溝道剛被夾斷：飽和電壓VDsat溝道夾斷后：飽和區(qū)3)輸出特性：①VGS=0,VDS>0;

5.2MESFET3)輸出特性：②VGS=-1,VDS>0;4)轉(zhuǎn)移特性：VDS一定時，ID隨VGS的變化規(guī)律-跨導gm5)增強型MESFET:未加柵壓（VGS=0）時，溝道就已夾斷

5.2MESFET5.2.3電流-電壓特性dx肖克萊緩變溝道近似模型①dy兩端的電壓降②耗盡層寬度1)直流I-V特性③電流-電壓關系式

5.2MESFET5.2.3電流-電壓特性④溝道電導2）直流參數(shù)⑤飽和電流①夾斷電壓②飽和電壓③最大飽和漏極電流④最小溝道電阻3）交流參數(shù)①跨導②漏導

5.2MESFET5.2.4負阻效應電子從Г能谷躍遷到L能谷，μn下降。GaAs、InP和Si材料中載流子的速場關系

5.2MESFET5.2.5高頻特性高頻小信號分析的方法實驗分析：測S參數(shù)解析模型：從載流子輸運機理出發(fā)，在器件工藝和結(jié)構(gòu)基礎上，進行合理的數(shù)學描述。數(shù)值模型：采用有限元或有限迭代方法，求解泊松方程和電流連續(xù)性方程

5.2MESFET5.2.5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特征頻率fT：β=1時的工作頻率最高振蕩頻率fmax：共源功率增益為1時的頻率影響頻率特性的因素

5.2MESFET5.2.6MESFET器件結(jié)構(gòu)舉例結(jié)構(gòu)演變①最初形式：有源層直接在半絕緣（SI）襯底上器件特性：噪聲特性差原因：襯底上缺陷的影響②演變Ⅰ：在襯底與有源層間加一不摻雜的緩沖層目的：減小襯底缺陷的影響器件性能：噪聲及增益較①有所改善③演變Ⅱ：在源、漏金屬電極與有源層間插入一n+層目的：減小串聯(lián)電阻RS、RD④演變Ⅲ：凹槽結(jié)構(gòu)作用：降低漏端的電場目的：提供BVDS，增加p0大部分的MESFET是用n型Ⅲ-Ⅴ化合物半導體制成：具有高的μn和較高的飽和速度，故fT很高。

5.2MESFET5.2.6MESFET器件結(jié)構(gòu)舉例2)柵結(jié)構(gòu)①半絕緣柵：在柵電極與有源層間加一SI區(qū)作用：減小電容Cg,減低柵極反向漏電；提供BVGS,改善微波特性。②柵緩沖層：在柵電極與有源層間加一緩沖層作用：與①相同③埋（層）柵：作用：與凹型槽柵相似④自對準柵：作用：減少表面能級的影響⑤雙柵：G1是信號柵，G2是控制柵優(yōu)點（與單柵比）：兩個柵極可分別控制；漏端一側(cè)的G2可減小器件內(nèi)部反饋，從而提高增益，增加穩(wěn)定性。

5.2MESFET5.2.6MESFET器件結(jié)構(gòu)舉例3)異質(zhì)結(jié)MESFET①雙異質(zhì)結(jié)MESFETG極：金屬Al；Ⅰ層：Al0.48In0.52As，60nm；Ⅱ?qū)樱篏a0.47In0.53As，145nm；（有源層或溝道層）Ⅲ層：Al0.48In0.52As，100nm；襯底：(100)InP。優(yōu)點：GaInAs比GaAs具有更高的低場μn和vp，從而使器件具有較高的gm和工作速度；AlInAs與InP襯底晶格匹配好，可降低界面陷阱。

5.2MESFET5.2.6MESFET器件結(jié)構(gòu)舉例3)異質(zhì)結(jié)MESFET②具有界面反型的異質(zhì)結(jié)MESFETa.窄禁帶材料-GaAs:做在SI襯底上；b.Schotty結(jié)：做在寬禁帶的n+AlxGa1-xAs上；c.反型層的形成：在異質(zhì)結(jié)界面處的p-GaAs表面（通過調(diào)節(jié)x、NA、ND）d.器件特性：有較高的gm和工作速度4）GaAs材料的優(yōu)點（與Si相比）①μn約高5倍；②vp(峰值速度）是Si飽和速度的2倍；③半絕緣襯底：漏電??；④良好的歐姆接觸。金屬半導體肖特基接觸MESFETHEMT第五章金屬半導體場效應晶體管

5.3HEMTHEMT:highelectronmobility(fieldeffect)transistor

2-DEGFET/TEGFET(two-dimensionalelectrongasfieldeffecttransistor)MODFET:modulation-dopedfieldeffecttransistor

WhyHEMT?

5.3HEMT5.3.1基本結(jié)構(gòu)-調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)1)襯底2)緩沖層3)高阻摻雜層4)臺面腐蝕5)淀積金屬

5.3HEMT5.3.2器件工作原理1)n+AlxGa1-xAs2)i-GaAs3)源、漏兩端加電壓

5.3HEMT5.3.3器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)設計n+AlxGa1-xAs層i-GaAs層i-AlxGa1-xAs層n+-GaAs層以耗盡型為例5.3.4改進的HEMT結(jié)構(gòu)緩變組分n+AlxGa1-xAs層超晶格有源層超晶格緩沖層5.3.5提高2DEG濃度的途徑多溝道HEMTΔEC盡可能大的異質(zhì)結(jié)

5.3HEMT1）能帶圖2）閾值電壓VT3）2DEG的濃度nS5.3.6HEMT的基本特性不同偏壓下的導帶結(jié)構(gòu)（a）VG=0，（b）VG=VT（c）VG>VT

5.3HEMT5.3.7電流電壓特性1）漏極電流ID2）ID-VDS關系曲線（伏安特性）

5.3HEMT5.3.8贗高電子遷移率晶體管-PHEMT1）PHEMT的器件結(jié)構(gòu)2）PHMET的工作原理3）PHMET的特點PHEMT能帶圖PHEMT結(jié)構(gòu)圖贗：Pseudomorphic，贗形體，贗晶，假晶；應變材料PHEMT:溝道層是贗晶層（應變層）的HEMT

5.3HEMT5.3.8贗高電子遷移率晶體管-PHEMT器件結(jié)構(gòu)：①襯底：②緩沖層：③輔助溝道層：④隔離層：⑤溝道層：⑥電子供給層：⑦Schotty接觸：⑧帽層：器件特點：①InP輔助溝道具有電子供給層和溝道層的雙重作用②InGaAs的低場高遷移率和InP的高場高漂移速度③高的ns器件特性