第五章 化合物半导体器件

1. 第五章化合物半导体器件

2. 5.1 化合物半导体的物理性质 1 化合物半导体晶体结构 黄铜矿晶格结构

3. 5.1 化合物半导体的物理性质 2 晶格常数 禁带宽度与半导体摩尔质量之间的关系

4. 5.1 化合物半导体的物理性质 3 光学性质 图5.5 直接跃迁和间接跃迁 图5.6 人眼对各种半导体材料所发射出不同波长光的敏感度

5. 5.1 化合物半导体的物理性质 4 电学特性 表5.4 各种半导体材料的有效质量和迁移率

6. 5.1 化合物半导体的物理性质 4 电学特性 表5.5 半导体中常见的散射机制

7. 5.1 化合物半导体的物理性质 4 电学特性 图5.7 GaAs各种散射机制下的迁移率

8. 5.2 GaAs MESFET • 与硅基MOSFET器件性能相比，GaAs MESFET器件的性能有了很显著的提高，这主要是材料的特性所造成的。 • GaAs的导带电子的迁移率是是Si的6倍，峰值迁移速率是Si的2倍； • 器件的有源层是生长在半绝缘的GaAs衬底上的，GaAs的电阻率高达107Ω·cm。而与此相对比，本征Si的典型电阻率为30Ω·cm。 • GaAs的少子寿命短 。 低的寄生电阻，较大的跨导，以及较短的电子渡越时间 低的寄生电容 很好的抗辐照能力

9. 5.2 GaAs MESFET 1 基本结构 它是在半绝缘的GaAs衬底上外延生长一层GaAs作为有源层，并在该层上生长一层金属形成肖特基势垒，再引出栅极（G），并在栅极两侧形成欧姆接触作为源极（S）和漏极（D）。源漏之间的导电层构成了沟道，沟道电阻由栅源电压Vgs进行调节。 半导体-金属栅极接触在MESFET沟道中产生了一个耗尽区，该耗尽区的厚度依赖于栅源电压Vgs。

10. 2 直流特性 MESFET与JFET相似，差别在于（1）它有单栅极，（2）栅极由金属-半导体结形成。 其源极和漏极之间的晶体管电流主要受栅极控制。栅偏置对栅区下方的耗尽层宽度进行调制，以改变沟道开口。分析可知，如果沿沟道的电势变化比垂直于沟道的小（相当于L»α），则可使用渐变沟道近似，在该近似下可应用一维解处理。 5.2 GaAs MESFET

11. 2 直流特性 5.2 GaAs MESFET FET晶体管的基本方程 根据肖特基模型，电流饱和发生在导电沟道在漏极一侧夹断时。

12. 2 直流特性 5.2 GaAs MESFET 夹断电压 阈值电压 定性上讲，若漏极偏置高于VD，sat，夹断点开始向源极移动。但是，夹断点的电势始终保持为VD，sat，而与VD无关。因此漂移区内的电场保持恒定不变，从而引起电流饱和。 实际表明，Isat并不随VD完全饱和，这是由于源区和夹断点之间的有效沟道长度减小的缘故。

13. 2 直流特性 以上分析都是基于假设为迁移率模式。 在短沟道器件（L<1μm）中，沟道纵向电场高到足以驱动载流子到速度饱和。其速度-电场关系可以用临界电场Ec和饱和速度来表征。 5.2 GaAs MESFET • 在这种情况下，甚至在夹断之前，电流也将随VD饱和，并有新的VD，sat值。

14. 2 直流特性 5.2 GaAs MESFET 短沟道下情况下的饱和电流 栅极长度 电子速率饱和时的临界电场 经验公式

15. 2 直流特性 迁移率模式 速度饱和模式 5.2 GaAs MESFET 在固定的漏极电压（Vds）下，沟道电流（Ids）被栅极电压（Vgs）的调制作用。 器件的跨导 与迁移率模式相比，VD，sat、Isat和gm，sat全都因速度饱和而下降。

16. 2 直流特性 5.2 GaAs MESFET 电压增益AV 影响输出跨导的因素包括由沟道注入到非掺杂的缓冲层的电荷、通过表面和沟道-衬底状态导电的机制等。 图5.14 实验测量得到的GaAs MESFET输出特性曲线。

17. 2 直流特性 5.2 GaAs MESFET GaAs MESFET的增益隐含在跨导参数gm之中。 提高跨导就必须要求沟道中载流子速度要很高。 外加一个大的负栅极电压，会导致耗尽层厚度的增加，从而使得跨导减小。 如果载流子的速度一定，通过增加沟道掺杂浓度的办法可以来减小耗尽层的厚度，从而达到提高跨导的目的。但这样做的一个负面的作用是器件的击穿电压会受到影响。

18. 3 微波特性 5.2 GaAs MESFET 在集总模型等效电路模型中，可以将其中的元件划分成位于虚线框内的本征元件和非本征元件。 截止频率

19. 3 微波特性 为了得到高的截止频率，栅极电容和寄生电阻都必须尽可能的小，而与此同时，跨导则必须尽可能大。 这就要求：沟道的载流子有效速度要高；栅极长度要短；寄生电阻要小。 5.2 GaAs MESFET

20. 4 应用 GaAs MESFET具有较高的载流子迁移率、较低的寄生电容，所以具有高速的优点。已用于通信、计算机及军事系统的高性能电路中。已可提供达40GHz的商用微波放大器，对于0.25μm沟道长度的器件，有望达到100GHz。 MESFET也可用作微波功率器件，可施加约10V的电压。无栅极的FET或饱和电阻器有时用作MESFET逻辑电路中的负载。 5.2 GaAs MESFET

21. 5.3 异质结双极型晶体管 • 1 HBT基本结构 AlGaAs/GaAs的HBT 由于发射区AlGaAs的禁带很宽，所以基区GaAs的掺杂浓度哪怕比发射极高很多，也会使得载流子的注入效率接近100%。

22. 5.3 异质结双极型晶体管 • 1 HBT基本结构 (a)采用自对准工艺 (b)采用离子注入工艺

23. 5.3 异质结双极型晶体管 • 1 HBT基本结构 采用缓变发射结的优点：⑴减小发射结空间电荷区的载流子复合，⑵提高注入电子速率； 不足：①在抑制由基区注入到发射区的空穴不是特别有效，②可能会有基区杂质的扩散。

24. 5.3 异质结双极型晶体管 • 2 HBT器件的直流特性 以缓变发射结AlGaAs/GaAs HBT 为例， 由发射极注入到基区的电流密度为 最大电流增益即电子电流与空穴电流密度之比

25. 5.3 异质结双极型晶体管 • 2 HBT器件的直流特性 即使是在NE远小于NB的时候，也能获得很高的βmax值。 当基极-发射极的掺杂浓度比例（NB/NE）为50-100之间时，为了获得β>100，则ΔEg应当等于或大于0.24eV，这对应于宽禁带Al0.22Ga0.78As（如AlAs的含量占22%）发射极。

26. 5.3 异质结双极型晶体管 • 2 HBT器件的直流特性 由于HBT的发射极注入效率很高，电流增益基本上等于基区因子。 对于n-p+-n HBT 基区电子寿命 基区均匀掺杂，由扩散控制 基区渡越时间 基区缓变，由漂移控制 为了获得高的电流增益，τB就要求尽可能的小。

27. 5.3 异质结双极型晶体管 • 2 HBT器件的直流特性 • 一般来说，单异质结AlGaAs/GaAs HBT的集电极电流和基极电流的表达式与硅基BJT器件的类似。 集电极电流 Gummel数： 集电极电流大，则需要Gummel数小，即基区宽度窄。

28. 5.3 异质结双极型晶体管 • 2 HBT器件的直流特性 基极电流远比硅基BJT器件的复杂。 一般来说，HBT基区电流可能包含四项： （1）基区的复合电流，（2）发射结空间电荷区的复合电流， （3）发射区的复合电流，（4）环路电流。 n为二极管的理想化因子，其值在1-2之间。 当基区电流主要是基区复合电流时，n值接近于1，电流增益β为常数。 如果基区电流主要是发射结空间电荷区的复合电流时，此时n=2，电流增益β随IC的增加而增加，随温度的升高而减小。 如果是以发射区的复合电流为主时，n=1，电流增益β随温度的升高而减小。

29. 5.3 异质结双极型晶体管 • 2 HBT器件的直流特性 图5.20示出了电流增益与集电极电流之间的关系。结果表明，在集电极电流很大（如IC≧10mA）时，电流增益β大于100。

30. 5.3 异质结双极型晶体管 • 3 HBT器件的高频特性 截止频率fT是一个非常重要的品质因子。 发射极电容充电时间 集电极充放电时间 有效基区渡越时间 载流子渡越集电极-基极的时间

31. 5.3 异质结双极型晶体管 • 3 HBT器件的高频特性 HBT的功率增益 说明： 功率增益与截至频率成正比，与基区寄生电阻和集电极-基极结电容成反比。 GaAs的电子迁移率高可以降低τB和rcc，同时又使得截至频率和功率增益增加。 当AlGaAs/GaAs HBT的发射极宽度为1.2μm时，器件的截止频率可高达75GHz。

32. 5.4 HEMT 1 HEMT器件结构 • AlGaAs/GaAs HEMT的截面结构与能带结构

33. 5.4 HEMT • 值得注意的是，由电子积累层在未掺杂GaAs沟道中所形成的电场强度非常强，达到了107V/m量级，因此，该电场就将电子限制在一个非常窄的近似三角形的凹槽中，离界面处的距离为15-20nm。 • 这一尺寸与电子的波长相当，就会导致在与界面垂直的方向上出现电子动量的量子化，于是电子就只能在二维空间中运动。 • 正是因为这个原因，电子积累层通常被称为二维电子气（2DEG）。

34. 在线性区 在饱和区 5.4 HEMT 2 直流特性 HEMT器件的输出特性 与MESFET器件输出曲线非常相似，同样也有线性区和饱和区。

35. 阈值电压 夹断电压 跨导 截止频率 5.4 HEMT 2 直流特性

36. 典型值:0.1-0.2ps 5.4 HEMT 3 射频特性 运用等效电路模型，总的延迟时间可表示成 漏极延迟在0.1ps-0.5ps之间，与栅长无关。 漏极延迟时间 叉指电容引起的延迟时间 本征延迟时间 焊盘延迟时间 本征延迟分为：栅极下电子的瞬态延迟时间（ttransit）和沟道充电时间（tcc） 。 瞬态延迟是W/IDS=0处的线性外延延迟时间，沟道充电延迟时间是本征延迟时间与瞬态延迟时间的差值。

37. 5.4 HEMT 3 射频特性 沟道充电延迟时间在低漏极偏置条件下影响非常显著，如低噪声放大器。但在漏极电流大的应用下是可以忽略的。除此之外，所有的寄生延迟对漏极电流的变化都十分的敏感，在漏极电流较低时，都会随着电流的增加而增大。 基于InP的HEMT器件与GaAs赝HEMT器件的非本征跨导与阈值电压的关系图。

38. 5.4 HEMT 3 射频特性 本征FET器件的四个噪声参数

39. 5.4 HEMT 4 当代HEMT技术 1)赝GaAs HEMT 2)双异质结GaAs HEMT 3)晶格匹配赝InP HEMT 4)形变GaAs HEMT

40. 5.5 半导体光源 • 半导体光电器件，即半导体光源和半导体光电探测器，这些器件主要是用化合物半导体来制备的，这主要是基于以下两个方面的原因： • 一是大部分化合物半导体是直接跃迁半导体，其光电转化效率高； • 其次，化合物半导体材料禁带宽度有一个较大的变化范围。 • 未来化合物半导体光子器件可用来构建光电集成电路和光学计算机 • 半导体光源是将输入的电能转化为光能的器件，其机理是电致发光，即在一定的偏置下，由通过器件的电流产生光的现象。 • LED（发光二极管） • LD（激光二极管）

41. 5.5.1 LD 1 LD原理 典型的基于GaAs DH结构的激光二极管如图5.32（a）所示。载流子被限制在n-GaAlAs和p-GaAlAs之间，这是由于两者之间的带隙宽度不同所造成的。载流子在GaAs层中会发生有效的复合，如图5.32(b)所示。所发出的光被限制在一个薄层中，这是由于各层的光学折射率不同所造成的，见图5.32(c)。 图5.32 基于GaAs的DH结构激光二极管。

42. 5.5.1 LD 1 LD原理 图5.33 能级结构和光的吸收、光的发射示意图 如图5.33（a）所示，当电子与空穴复合，会发生自发辐射。当光子被半导体结构吸收时，电子则被激发到导带，于是便产生了电子-空穴对，如图5.33（b）所示。当这一激发到导带的电子发生自发复合，就会产生受激辐射产生激光，如图5.33（c）所示。

43. 5.5.1 LD 2 LD阈值电流 发生激光的光强是注入电流的函数，两者间的关系见图5.34。当电流很小的时候，自发辐射是主要的发光模式，这种类型的发光常见于LED器件。当电流超过阈值电流时，就会产生激光。

44. 5.5.1 LD 3 LD分类 根据波长的不同，可将激光二极管分为三种类型，红外LD、可见光LD、长波长LD。在图5.35中，可看到各种材料可能的波长。 图5.35 各种材料可能的激光波长

45. 5.5.2 LED 1 红外LED 玻璃光纤通信主要使用红外LD和探测器。对于非常短距离的通信，有必要采用低成本的发光器件，如基于GaAs的波长范围为0.8-0.9μm的红外LED、和基于InP的波长为1.3μm的红外LED。 光纤通信对光源性能的要求是高亮度和高响应速度。高亮度可采用DH结构来获得，高响应速度可采用高掺杂浓度以减小载流子的寿命来实现。 图5.36 红外InP基LED

46. 5.5.2 LED 2 可见光LED (1)红光LED 基于GaAs 基于GaAsP 基于DH-GaAlAs

47. 5.5.2 LED 2 可见光LED (2)黄光和橙色光LED GaAsP的禁带宽度可以通过调节组分来改变，其发射的波长范围可由红光变到黄光。在GaP衬底上外延生长所需组分的GaAsP，就可制作出黄光和橙色光LED

48. 5.5.2 LED 2 可见光LED (3)绿光LED 基于N掺杂的GaP的黄绿光LED ZnTe材料制作纯的绿光LED GaAs外延ZnSe结构的蓝绿光LED 基于GaN的蓝绿光LED

49. 5.5.2 LED 2 可见光LED (4)蓝光LED 基于SiC 基于GaN

50. 5.5.2 LED 2 可见光LED (5)白光LED 最简单的实现方式是采用三个RGB LED 蓝光LED激发黄色磷光来实现 紫外LED激发三色磷光