第五章金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管課件

化合物半導(dǎo)體器件

CompoundSemiconductorDevices

微電子學(xué)院

戴顯英

2011.6化合物半導(dǎo)體器件

CompoundSemiconduct1金屬半導(dǎo)體肖特基接觸MESFETHEMT第五章化合物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管金屬半導(dǎo)體肖特基接觸第五章化合物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管2場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）金屬－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET）MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FieldEffectTransistor,縮寫(xiě)為FET）是一種電壓控制器件，其導(dǎo)電過(guò)程主要涉及一種載流子，也稱為“單極”晶體管

場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）金屬3場(chǎng)效應(yīng)晶體管的分類(lèi)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的分類(lèi)4

5.1金屬半導(dǎo)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(dǎo)體能帶圖，真空能級(jí)處處相同，而費(fèi)米能級(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1)勢(shì)壘高度以金屬/n型半導(dǎo)體接觸為例，假定Φm(Wm)>Φs(Ws)5.1金屬半導(dǎo)體肖特基接觸5.1.1能帶結(jié)構(gòu)5.1（5圖5.2形成整流接觸的兩種情況：（a）Фm>Фs，n型半導(dǎo)體；（b）Фm<Фs，p型半導(dǎo)體；（c）肖特基接觸I-V特性

5.1金屬半導(dǎo)體肖特基接觸2)阻擋層:半導(dǎo)體一側(cè)高阻的空間電荷區(qū)（勢(shì)壘區(qū)）3)反阻擋層：半導(dǎo)體一側(cè)很薄的高導(dǎo)電層圖5.2形成整流接觸的兩種情況：5.1金屬半導(dǎo)體肖特基6

5.1金屬半導(dǎo)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(shí)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(dǎo)體接觸為例，且Wm>Ws5.1金屬半導(dǎo)體肖特基接觸5.1.2基本模型-整流理7

5.1金屬半導(dǎo)體肖特基接觸圖5.6載流子通過(guò)肖特基勢(shì)壘的輸運(yùn)過(guò)程1、電子從半導(dǎo)體出發(fā)，越過(guò)勢(shì)壘頂部熱發(fā)射到金屬中；2、電子穿過(guò)勢(shì)壘的量子隧穿效應(yīng)；3、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)體中性區(qū)的載流子的復(fù)合。2)電流模型①擴(kuò)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(yīng)：（引起勢(shì)壘高度降低）鏡像力效應(yīng)：（勢(shì)壘頂向內(nèi)移動(dòng)，使勢(shì)壘降低）5.1金屬半導(dǎo)體肖特基接觸圖5.6載流子通過(guò)肖特基勢(shì)8

5.1金屬半導(dǎo)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(kuò)散電流；有電荷存貯效應(yīng)；高頻性能差；JS小于JSD(JST)；導(dǎo)通電壓高。②Schotty勢(shì)壘：多子器件；漂移電流；無(wú)電荷存貯效應(yīng)；高頻性能好；JSD(JST)遠(yuǎn)大于JS；導(dǎo)通電壓低。3)應(yīng)用：①高速TTL②金屬-半導(dǎo)體雪崩二極管③肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管與pn結(jié)二極管相比2)如何實(shí)現(xiàn)1)定義：5.1.4歐姆接觸5.1金屬半導(dǎo)體肖特基接觸5.1.3肖特基二極管1)9金屬半導(dǎo)體肖特基接觸MESFETHEMT第五章金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管金屬半導(dǎo)體肖特基接觸第五章金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管10

5.2MESFET5.2.1器件結(jié)構(gòu)1)3個(gè)金-半接觸2)器件結(jié)構(gòu)參數(shù)5.2MESFET5.2.1器件結(jié)構(gòu)1)3個(gè)金-半接11

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)5.2MESFET5.2.2工作原理1)偏置電壓12

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;5.2MESFET溝道剛被夾斷：飽和電壓VDsat溝道13

5.2MESFET3)輸出特性：②VGS=-1,VDS>0;4)轉(zhuǎn)移特性：VDS一定時(shí)，ID隨VGS的變化規(guī)律-跨導(dǎo)gm5)增強(qiáng)型MESFET:未加?xùn)艍海╒GS=0）時(shí)，溝道就已夾斷5.2MESFET3)輸出特性：②VGS=-1,VD14

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(guān)系式5.2MESFET5.2.3電流-電壓特性dx肖克15

5.2MESFET5.2.3電流-電壓特性④溝道電導(dǎo)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(dǎo)②漏導(dǎo)5.2MESFET5.2.3電流-電壓特性④溝道16

5.2MESFET5.2.4負(fù)阻效應(yīng)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(chǎng)關(guān)系5.2MESFET5.2.4負(fù)阻效應(yīng)電子從Г能谷躍17

5.2MESFET5.2.5高頻特性高頻小信號(hào)分析的方法實(shí)驗(yàn)分析：測(cè)S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)基礎(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，求解泊松方程和電流連續(xù)性方程5.2MESFET5.2.5高頻特性高頻小信號(hào)分析18

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(shí)的工作頻率最高振蕩頻率fmax：共源功率增益為1時(shí)的頻率影響頻率特性的因素5.2MESFET5.2.5高頻特性等效電路：電路19

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(chǎng)目的：提供BVDS，增加p0大部分的MESFET是用n型Ⅲ-Ⅴ化合物半導(dǎo)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20

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(duì)準(zhǔn)柵：作用：減少表面能級(jí)的影響⑤雙柵：G1是信號(hào)柵，G2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21

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(diǎn)：GaInAs比GaAs具有更高的低場(chǎng)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22

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(guò)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(diǎn)（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。5.2MESFET5.2.6MESFET器件結(jié)構(gòu)舉23金屬半導(dǎo)體肖特基接觸MESFETHEMT第五章金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管金屬半導(dǎo)體肖特基接觸第五章金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管24

5.3HEMTHEMT:highelectronmobility(fieldeffect)transistor

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

WhyHEMT?5.3HEMTHEMT:highelectronm25

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(tái)面腐蝕5)淀積金屬5.3HEMT5.3.1基本結(jié)構(gòu)-調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)1)26

5.3HEMT5.3.2器件工作原理1)n+AlxGa1-xAs2)i-GaAs3)源、漏兩端加電壓5.3HEMT5.3.2器件工作原理1)n+Al27

5.3HEMT5.3.3器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)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(jìn)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)5.3HEMT5.3.3器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)n+Al28

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(dǎo)帶結(jié)構(gòu)（a）VG=0，（b）VG=VT（c）VG>VT5.3HEMT1）能帶圖5.3.6HEMT的基本特29

5.3HEMT5.3.7電流電壓特性1）漏極電流ID2）ID-VDS關(guān)系曲線（伏安特性）5.3HEMT5.3.7電流電壓特性1）漏極電流ID30

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(diǎn)PHEMT能帶圖PHEMT結(jié)構(gòu)圖贗：Pseudomorphic，贗形體，贗晶，假晶；應(yīng)變材料PHEMT:溝道層是贗晶層（應(yīng)變層）的HEMT5.3HEMT5.3.8贗高電子遷移率晶體管-PH31

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(diǎn)：①I(mǎi)nP輔助溝道具有電子供給層和溝道層的雙重作用②InGaAs的低場(chǎng)高遷移率和InP的高場(chǎng)高漂移速度③高的ns器件特性：①高gm：1290ms