化合物半导体器件—第一章绪论

1、化合物半导体器件化合物半导体器件化合物半导体器件化合物半导体器件Compound Semiconductor Devices微电子学院微电子学院戴显英戴显英2010.5化合物半导体器件化合物半导体器件 教师：戴显英教师：戴显英 办公室：科技楼A708室 电话：88204265 Email:化合物半导体器件化合物半导体器件课程主要内容（大纲要求）课程主要内容（大纲要求） 化合物半导体材料化合物半导体材料 半导体异质结半导体异质结 异质结双极晶体管异质结双极晶体管 金属金属- -半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管 异质结场效应晶体管异质结场效应晶体管 量子器件与热电子器件量子器件与热电子器件 异

2、质结光电子器件异质结光电子器件 宽带隙半导体材料与器件宽带隙半导体材料与器件化合物半导体器件化合物半导体器件预备知识预备知识 半导体物理半导体物理 晶体管原理（双极）晶体管原理（双极） 晶体管原理（场效应）晶体管原理（场效应） 固体物理固体物理 量子力学量子力学化合物半导体器件化合物半导体器件教材教材/ /参考书参考书 吕红亮，张玉明，张义门，吕红亮，张玉明，张义门，化合物半导体器件化合物半导体器件 谢孟贤，谢孟贤，化合物半导体材料与器件化合物半导体材料与器件 刘恩科，朱秉升，罗晋生，刘恩科，朱秉升，罗晋生，半导体物理学半导体物理学 虞丽生，虞丽生，半导体异质结物理半导体异质结物理 谢永桂，谢

3、永桂，超高速化合物半导体器件超高速化合物半导体器件 李效白，李效白，砷化镓微波功率场效应晶体管砷化镓微波功率场效应晶体管 及其应用及其应用 方志烈，方志烈，半导体发光材料和器件半导体发光材料和器件化合物半导体器件化合物半导体器件第一章第一章 绪论绪论 SiSi尚不能很好应用的领域尚不能很好应用的领域 化合物半导体材料与器件的优势化合物半导体材料与器件的优势 化合物半导体的发展历史化合物半导体的发展历史 半导体器件未来的发展方向半导体器件未来的发展方向 第二代半导体第二代半导体-GaAs-GaAs 第三代半导体第三代半导体-GaN-GaN化合物半导体器件化合物半导体器件硅的重要性质硅的重要性质1

4、 1、物理结构性质、物理结构性质 晶体结构：金刚石结构晶体晶体结构：金刚石结构晶体 晶格周期（晶格周期（）：）：5.4315.4312 2、能带结构、能带结构 禁带宽度（禁带宽度（eVeV）：）：1.121.12 能带对称性：间接带隙能带对称性：间接带隙 态密度态密度(cm(cm-3-3) )：Nc=2.8Nc=2.8* *10101919 Nv=1.1 Nv=1.1* *10101919化合物半导体器件化合物半导体器件硅的重要性质硅的重要性质3 3、电学性质：、电学性质： 电子电子 空穴空穴 低场迁移率低场迁移率cmcm2 2/Vs) : 1350 500/Vs) : 1350 500 临界

5、（击穿电场）临界（击穿电场）V/cmV/cm： 3 3* *10105 5 4 4* *10105 5 饱和漂移速度：饱和漂移速度：cm/s 10cm/s 107 7 10 107 7 有效质量（相对）：有效质量（相对）： m ml l=0.98 m=0.98 mplpl=0.16=0.16 m mt t=0.19 m=0.19 mphph=0.53=0.53化合物半导体器件化合物半导体器件硅的重要性质硅的重要性质4 4、光学性质、光学性质 吸收限（吸收限（gapgap）：）： 1.1m1.1m 辐射寿命（辐射寿命（s s）：）： 几个几个msms 典型辐射效率（典型辐射效率（% %）：）：

6、1%200T2000 0C C，航天、导弹等。，航天、导弹等。6.6.低温器件：低温器件：T4.2KT4.2K，航天等。，航天等。化合物半导体器件化合物半导体器件化合物半导体材料与器件的优势化合物半导体材料与器件的优势：大多数：大多数n n比比SiSi高，如高，如GaAsGaAs的的n n为为80008000；E Eg g：大多数在：大多数在1.1eV1.1eV以上（较以上（较SiSi宽），且范围宽；宽），且范围宽；能带结构：多数是直接带隙（能带结构：多数是直接带隙（D D型）；型）；能带工程：能带工程： E Eg g随化合物组分变化而改变；随化合物组分变化而改变；电阻率：电阻率：，很好的半绝

7、缘；，很好的半绝缘；（：（： ）异质结：比同质结的注入效率高；能带有突变；异质结：比同质结的注入效率高；能带有突变；晶格结构：晶格常数可随组分改变。晶格结构：晶格常数可随组分改变。材料优势：高迁移率、直接带隙、能带可裁剪、晶材料优势：高迁移率、直接带隙、能带可裁剪、晶 格常数可变格常数可变化合物半导体器件化合物半导体器件表表1.1 1.1 半导体材料的电学特性半导体材料的电学特性 SiSiGaAsGaAsInPInP有效质量有效质量（相对）（相对）m mn n* */m/m0 0m ml l=0.98=0.98m mt t=0.19=0.190.0670.0670.0770.077m mp p

8、* */m/m0 0 m mplpl=0.16=0.16 m mphph=0.53=0.53 0.082 0.082 0.45 0.45 0.012 0.012 0.8 0.8迁移率迁移率n n（cmcm2 2/Vs/Vs）135013508000800030003000p p（cmcm2 2/Vs/Vs）500500300300150150化合物半导体器件化合物半导体器件图图1.1 1.1 化合物半导体电子的速场关系化合物半导体电子的速场关系 化合物半导体器件化合物半导体器件化合物半导体材料与器件的优势化合物半导体材料与器件的优势 （以数字器件为例，与（以数字器件为例，与SiSi比较）比较）

9、 高速器件：迁移率大；高速器件：迁移率大； 高温器件：多数的高温器件：多数的EgEg大；大； 低温高速器件：低温迁移率大；低温高速器件：低温迁移率大； HEMTHEMT及及HBTHBT器件：异质结特性；器件：异质结特性； 发光器件：发光器件：LEDLED，半导体激光器（，半导体激光器（LD)LD)； 光探测器：红外、可见光、紫外；光探测器：红外、可见光、紫外； 负阻器件：负阻器件： 光电集成：光电集成： 目前，低噪放、混频器、功放、开关和乘法器，均已完目前，低噪放、混频器、功放、开关和乘法器，均已完全采用化合物半导体器件全采用化合物半导体器件器件优势：超高速、低功耗、多功能、抗辐射器件优势：超

10、高速、低功耗、多功能、抗辐射化合物半导体器件化合物半导体器件196019701980199020001101001000 InP HBT*Transferred substratefTfmaxAlGaAs/GaAs HEMTInP HEMTSi BJTAlGaAs/GaAs HEMTGaAs pHEMTInP HEMTInP HBTGaAs MESFETGe BJTfmax , fT , GHzYear图图1.2 1.2 化合物半导体器件在微波应用领域的优势化合物半导体器件在微波应用领域的优势化合物半导体材料与器件的优势化合物半导体材料与器件的优势化合物半导体器件化合物半导体器件图图1.31.

11、3化合物半导体器件化合物半导体器件/ /电路的应用频段电路的应用频段化合物半导体材料与器件的优势化合物半导体材料与器件的优势化合物半导体器件化合物半导体器件图图1.4 SiGe1.4 SiGe技术技术OEICOEIC示意示意 化合物半导体材料与器件的优势化合物半导体材料与器件的优势化合物半导体器件化合物半导体器件化合物半导体材料与器件的优势化合物半导体材料与器件的优势例如，比较例如，比较GaAsGaAs，InPInP，SiSi的的MESFETMESFET器件性能器件性能 设栅长设栅长， ： GaAsGaAs：InPInP：Si Si 2.12.1：3.23.2：；：； ： GaAsGaAs，I

12、nPInP，Si Si 2.6:1.7:12.6:1.7:1；化合物半导体器件化合物半导体器件化合物半导体的发展历史化合物半导体的发展历史时间时间事件事件发明者发明者19291929首次合成首次合成GaAsGaAsGoldschmidtGoldschmidt19551955GaAsGaAs发光二极管发光二极管RCARCA研究所研究所19591959HgCdTeHgCdTe单晶单晶LawsonLawson19621962布里吉曼法生长布里吉曼法生长GaAsGaAs单晶单晶MetzMetz19621962GaAsGaAs半导体激光器半导体激光器Ge,IBM,MITGe,IBM,MIT1963196

13、3GaAsGaAs耿氏二极管耿氏二极管IBMIBM19681968MOCVDMOCVDManasevitManasevit19691969半导体超晶格半导体超晶格江崎，朱兆祥江崎，朱兆祥19661966GaAs MESFETGaAs MESFET美国加州大学美国加州大学19691969MBEMBEArthur,LeporeArthur,Lepore19701970GaAs/AlGaAsGaAs/AlGaAs双异质结激光器双异质结激光器Bell Lab.Bell Lab.，研究所，研究所19741974GaAs MESFET GaAs MESFET 数字数字ICICHPHP19751975GaA

14、s JFETGaAs JFET美国美国McDonnell DouglasMcDonnell Douglas19801980GaAs/AlGaAs HEMTGaAs/AlGaAs HEMT富士通，富士通，BellBell，Thomson CSFThomson CSF20012001200mm200mm半绝缘半绝缘GaAsGaAs单晶单晶德国德国FreibergerFreiberger化合物材料公司化合物材料公司20022002150mm InL150mm InL单晶单晶美国美国AXT,AXT,日本眙和电工日本眙和电工化合物半导体器件化合物半导体器件图图1.3 1.3 半导体发光二极管的发展历程半

15、导体发光二极管的发展历程 化合物半导体器件化合物半导体器件化合物半导体器件未来的发展方向化合物半导体器件未来的发展方向 新功能：光接收，光发射，光电、热电、磁电新功能：光接收，光发射，光电、热电、磁电压电等各种换能功能。压电等各种换能功能。 高性能：超高频、超高速、低噪声、低功耗、高性能：超高频、超高速、低噪声、低功耗、 高输出高输出 高集成度高集成度 光电集成光电集成:OEIC:OEIC化合物半导体器件化合物半导体器件第二代半导体第二代半导体-砷化镓砷化镓特性特性砷化镓砷化镓硅硅最大频率范围最大频率范围2 2300GHz300GHz1GHz1GHz最大操作温度最大操作温度200200o oC

16、 C120120o oC C电子迁移速率电子迁移速率高高低低抗辐射性抗辐射性高高低低高频下使用高频下使用杂讯少杂讯少杂讯多，不易克服杂讯多，不易克服功率耗损功率耗损小小高高元件大小元件大小小小大大材料成本材料成本高高低低产品良率产品良率低低高高砷化镓器件与硅器件特性比较砷化镓器件与硅器件特性比较化合物半导体器件化合物半导体器件应用领域应用领域频率范围频率范围个人通讯服务个人通讯服务900MHz900MHz（cellularcellular）1.81.82.2GHz2.2GHz（PCSPCS）2.22.22.4GHz2.4GHz（3G wireless3G wireless）有线电视有线电视50

17、501000MHz1000MHzGPSGPS1.6GHz1.6GHz卫星电视卫星电视111113GHz13GHzWireless LANWireless LAN900MHz900MHz2.42.4、5.85.8、60GHz60GHzPoint-to-point RadioPoint-to-point Radio6 6、8 8、1111、1515、1818、2323、3838、60GHz60GHzVSATVSAT（小型卫星地面站）（小型卫星地面站）6 6、1414、28GHz28GHz卫星移动电话卫星移动电话1.61.6、2.5GHz2.5GHz（subscribersubscriber）202

18、0、2323、29GHz29GHz（up/down/crosslinkup/down/crosslink）宽频卫星服务宽频卫星服务28GHz28GHz汽车雷达控制系统汽车雷达控制系统767677GHz77GHz电子收费系统电子收费系统5.8GHz5.8GHzGaAsGaAs非常适合高频无线通讯非常适合高频无线通讯化合物半导体器件化合物半导体器件GaAsGaAs是功率放大器的主流技术是功率放大器的主流技术 砷化镓具备许多优异特性，但材料成本及良品率砷化镓具备许多优异特性，但材料成本及良品率方面比不上硅，因基频部分以处理数字信号为主，方面比不上硅，因基频部分以处理数字信号为主，内部组件多为主动组件

19、、线路分布密集，故以细内部组件多为主动组件、线路分布密集，故以细微化和高集成度纯硅微化和高集成度纯硅CMOSCMOS制程为主。制程为主。 手机中重要关键零部件功率放大器（手机中重要关键零部件功率放大器（Power Power AmplifierAmplifier，PAPA），由于对放大功率的严格要求，），由于对放大功率的严格要求，因此使用因此使用GaAsGaAs制造将是最佳方式。制造将是最佳方式。GaAsGaAs在无线通在无线通讯射频前端应用具有高工作频率、低噪声、工作讯射频前端应用具有高工作频率、低噪声、工作温度使用范围高以及能源利用率高等优点，因此温度使用范围高以及能源利用率高等优点，因此

20、在未来几年内仍是高速模拟电路，特别是功率放在未来几年内仍是高速模拟电路，特别是功率放大器的主流制程技术。大器的主流制程技术。化合物半导体器件化合物半导体器件手机是促进手机是促进GaAsICGaAsIC市场增长的主要动力市场增长的主要动力 根据根据Strategy AnalyticsStrategy Analytics的报告，手机仍将是促的报告，手机仍将是促进砷化镓（进砷化镓（GaAsGaAs）ICIC市场增长的主要动力市场增长的主要动力 20042004年年GaAsGaAs芯片市场芯片市场2929亿美元，亿美元，20082008年将达年将达3737亿亿美元美元 20032003年无线市场占年无

21、线市场占GaAsGaAs器件总体需求的器件总体需求的41%41%以上，以上，来自汽车雷达等其它应用的需求将会增长，但来自汽车雷达等其它应用的需求将会增长，但20082008年手机仍将至少占年手机仍将至少占GaAsGaAs市场的市场的33%33% 随着手机需求成长，以及每支手机所需随着手机需求成长，以及每支手机所需PAPA从单频从单频增为双频和三频，预计光手机这项需求，增为双频和三频，预计光手机这项需求，20082008年年GaAsGaAs芯片将达到芯片将达到3030亿颗亿颗化合物半导体器件化合物半导体器件国内外国内外GaAsGaAs技术技术现状对比现状对比 目前我国在研制通信用砷化目前我国在研

22、制通信用砷化镓器件方面尚处于起步阶段。镓器件方面尚处于起步阶段。手机用砷化镓电路基本靠进手机用砷化镓电路基本靠进口。随着我国通信产业迅速口。随着我国通信产业迅速发展，对砷化镓器件需求越发展，对砷化镓器件需求越来越大。因此发展砷化镓器来越大。因此发展砷化镓器件产业对国内通信产业具有件产业对国内通信产业具有重大意义。重大意义。 砷化镓电路用于手机的功放砷化镓电路用于手机的功放和开关部分，还可用于移动和开关部分，还可用于移动通信基站、光通信、卫星通通信基站、光通信、卫星通信、信、CATVCATV、军事通信等重要、军事通信等重要用途，应用领域非常广泛。用途，应用领域非常广泛。化合物半导体器件化合物半导

23、体器件GaAsGaAs还有更多的应用领域还有更多的应用领域 光纤通信具有高速、大容量、信息多的特点，是构筑光纤通信具有高速、大容量、信息多的特点，是构筑“信信息高速公路息高速公路”的主干，大于的主干，大于2.5G2.5G比特比特/ /秒的光通信传输系秒的光通信传输系统，其收发系统均需要采用统，其收发系统均需要采用GaAsGaAs超高速专用电路；超高速专用电路； 随着光电子产业和自动化的发展，用作显示器件随着光电子产业和自动化的发展，用作显示器件LEDLED、测、测距、玩具、条形码识别等应用的高亮度发光管、可见光激距、玩具、条形码识别等应用的高亮度发光管、可见光激光器、近红外激光器、量子阱大功率

24、激光器等均有极大市光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器等均有极大市场需求；场需求； GaAsGaAs基高效太阳能电池的用量也十分大，对低阻低位错基高效太阳能电池的用量也十分大，对低阻低位错GaAsGaAs产业的需求十分巨大而迫切。产业的需求十分巨大而迫切。 我国数十亿只我国数十亿只LEDLED管芯，所有的可见光激光器、高亮度发管芯，所有的可见光激光器、高亮度发光管、近红外激光器等几乎都依靠进口，因此生产高质量光管、近红外激光器等几乎都依靠进口，因此生产高质量的低阻的低阻GaAsGaAs单晶，促进单晶，促进LEDLED管芯、可见光激光器、高亮度管芯、可见光激光器、高亮度发光管和高效率高效太阳能

25、电池的商品化生产，将有力地发光管和高效率高效太阳能电池的商品化生产，将有力地发展我国民族的光电子产业。发展我国民族的光电子产业。化合物半导体器件化合物半导体器件第三代半导体材料第三代半导体材料氮化镓氮化镓 禁带宽度禁带宽度Eg2eVEg1.51.5介电常介电常数数11.811.812.812.812.512.510.010.09.09.0化合物半导体器件化合物半导体器件 凭借凭借GaNGaN半导体材料在高温高频、大功率工作条件下的半导体材料在高温高频、大功率工作条件下的出色性能取代部分硅和其它化合物半导体材料器件市场出色性能取代部分硅和其它化合物半导体材料器件市场 凭借凭借GaNGaN半导体材

26、料宽禁带、激发蓝光的独特性质开发半导体材料宽禁带、激发蓝光的独特性质开发新的光电应用产品新的光电应用产品 GaNGaN区别于第一和第二代半导体材料最重要的物理特点区别于第一和第二代半导体材料最重要的物理特点是具有更宽的带宽，可以发射波长比红光更短的蓝光是具有更宽的带宽，可以发射波长比红光更短的蓝光GaNGaN应用领域应用领域化合物半导体器件化合物半导体器件第三代半导体材料第三代半导体材料锗硅锗硅 锗硅（锗硅（SiGeSiGe）是一种新型的高速半导体材料，其特征）是一种新型的高速半导体材料，其特征是在是在SiSi中掺入不同组分的中掺入不同组分的GeGe能灵活方便调控能带宽度，能灵活方便调控能带宽

27、度，从而极大提高器件和电路的性能。从而极大提高器件和电路的性能。 SiGeSiGe合金材料与合金材料与SiSi形成异质结晶体管，提高晶体管的形成异质结晶体管，提高晶体管的注入效率，因此可以提高基区掺杂浓度，获得噪声低注入效率，因此可以提高基区掺杂浓度，获得噪声低晶体管。晶体管。 Si/SiGeSi/SiGe异质结双极晶体管（异质结双极晶体管（HBTHBT）由于基区高掺杂，）由于基区高掺杂，可以减薄基区的厚度，提高了晶体管的速度。可以减薄基区的厚度，提高了晶体管的速度。 SiGeSiGe工艺与成熟的工艺与成熟的SiSi基基BiCMOSBiCMOS工艺兼容，可以进行大工艺兼容，可以进行大规模集成。

28、与规模集成。与SiSi器件相比，明显具有高速、低噪声和器件相比，明显具有高速、低噪声和低功耗的特点。特别适合研制高端模拟、数模混合模低功耗的特点。特别适合研制高端模拟、数模混合模拟电路。拟电路。化合物半导体器件化合物半导体器件SiGe HBTSiGe HBT技术技术 SiGe HBTSiGe HBT的研究与开发在国外已经成熟，并已推出了多种的研究与开发在国外已经成熟，并已推出了多种产品，主要应用于产品，主要应用于RFRF电路与高速电路。电路与高速电路。 19961996年，美国巴尔的摩公司制造出年，美国巴尔的摩公司制造出S S波段波段230W SiGe HBT230W SiGe HBT脉脉冲功

29、率晶体管，工作频率为冲功率晶体管，工作频率为2.8GHz2.8GHz。 20022002年，年，IBMIBM公司报道了特征频率高达公司报道了特征频率高达350GHZ350GHZ的的SiGe HBTSiGe HBT，器件具备优良的射频特性。器件具备优良的射频特性。 20042004年，年，Germany IHPGermany IHP公司制造出公司制造出 f fT T=300GHz=300GHz，f fmaxmax250 250 GHzGHz，门延迟时间小于，门延迟时间小于3.3ps3.3ps的的SiGe HBTSiGe HBT； 20042004年，年，Germany InfineonGerma

30、ny Infineon公司制造出公司制造出f fT T=225GHz=225GHz，f fmaxmax300 GHz300 GHz，门延迟时间小于，门延迟时间小于3.2ps3.2ps的的SiGe HBTSiGe HBT； 20042004年，年，IBMIBM公司制造出公司制造出f fT T=300GHz=300GHz，f fmaxmax350 GHz350 GHz，门延，门延迟时间小于迟时间小于3.3ps3.3ps的的SiGe HBTSiGe HBT。化合物半导体器件化合物半导体器件图1 SiGe HBT结构示意图化合物半导体器件化合物半导体器件IBMIBM公司的三代公司的三代SiGeSiGe

31、技术技术化合物半导体器件化合物半导体器件SiGeSiGe集成电路产品集成电路产品 分频器、集成电压控制振荡器分频器、集成电压控制振荡器(VCO)(VCO)、低噪声放大、低噪声放大器器(LNA)(LNA)系列、系列、A/DA/D转换器、转换器、D/AD/A转换器、比较器、转换器、比较器、混频器、功率放大器、移动电话电路、低相位噪混频器、功率放大器、移动电话电路、低相位噪声晶体管、双极异质结晶体管（声晶体管、双极异质结晶体管（HBTHBT）、宽带低噪）、宽带低噪声声SiGeSiGe晶体管、低相位噪声振荡器、中频放大器、晶体管、低相位噪声振荡器、中频放大器、射频低噪声放大器、射频驱动放大器、射频低噪声放大器、射频驱动放大器、5.2GHZ5.2GHZ单单片收发器、片收发器、GPSGPS接收器、射频收发前端、单片收发接收器、射频收发前端、单片收发前端芯片、大动态