现代电子材料与元器件-5

第五章

化合物半导体器件微电子教学部冯世娟35065.1pn结注入比当pn结加正向电压时，n区向p区注入的电子电流与p区向n区注入的空穴电流之比。对于同质结，所以决定同质结注入比的是掺杂浓度，要得到高注入比pn结的一边应高掺杂。所以一般作为发射极的材料都是重掺杂。5.1pn结注入比对于异质结，禁带宽度是决定异质结注入比的关键因素。对于p-GaAs/n-Al0.3Ga0.7As异质结，其注入比大约为7.4×105。在晶体管、半导体激光器中，注入比是一个很重要的物理量，它决定了晶体管的放大倍数、激光器的阈值电流和注入效率等。这是因为在总电流中，只有注入到基区（或作用区）中的少子才对器件有作用。而在异质结中可以用宽带材料做效率很高的发射极，这是异质结器件的一个重要优点。5.1pn结注入比对于突变异质结，对于缓变异质结，因此为了得到有利的注入比，可选择适合的长度和渐变方式，从而使能带图趋于平滑。一般来说，异质结晶体管的发射结都是采用缓变的。MESFET是金属-半导体-场效应晶体管的缩写。实用场效应晶体管的JFET形式于1953年实现，而MOSFET形式则于1960年实现。由于硅材料的独特的、接近理想的天然氧化物性质，所以MOSFET只使用硅材料。MESFET更适合用化合物半导体制备，GaAs已成为制作这种器件的主流材料。与JFET相比，它在制作工艺方面具有优势。目前，MESFET是高速和微波电路的主导器件。5.3.2GaAsMESFET

5.3.2GaAsMESFET

与硅基MOSFET器件性能相比，GaAsMESFET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MESFET是一种由Schottky势垒栅极构成的场效应晶体管。它与p-n结型栅场效应晶体管相比，只是用金属-半导体接触势垒代替了p-n结栅。MESFET的工作原理与JFET基本相同,但是有两点差异:在长沟道(0.5~2μm)GaAs-MESFET中,速度饱和模型能较好地描述I-V特性(虽然饱和机理是由于谷间跃迁而引起的速度饱和，但与Si和SiC等的MESFET相同，都将产生偶极畴并使电流饱和)；对于栅长<0.5μm的短沟道GaAs-MESFET,由于GaAs中电子的能量弛豫时间>>动量弛豫时间，则电子的输运将是瞬态的，有明显的速度过冲效应(对短沟道Si器件,无明显的速度过冲)。5.3.2GaAsMESFET

5.4.4HEMT调制掺杂场效应晶体管（MODFET）又称为高电子迁移率晶体管（HEMT）、二维电子气场效应晶体管（TEGFET）。MODFET的独特性在于异质结构，在该结构中对宽能隙材料进行掺杂，载流子扩散到未掺杂的窄能隙材料中，并在此形成沟道，沟道中电子在垂直方向上的动量是量子化的（即二维电子气）。这种调制掺杂的实际结果是，未掺杂异质界面上的载流子在空间上与掺杂区隔离，且由于不存在杂质散射而具有极高的迁移率。5.4.4HEMT1HEMT器件结构AlGaAs/GaAsHEMT的截面结构与能带结构5.4.4HEMTn+GaAs覆盖层有利于形成器件的低电阻欧姆接触。n+AlGaAs层为沟道提供电子，而i-AlGaAs隔离层可在空间上将电子积累层与施主原子分开而达到提高沟道载流子迁移率的作用。Al含量决定了在AlGaAs/GaAs界面处导带不连续性的大小，而这一能带的不连续性又会去控制GaAs沟道中电子积累层中电子的浓度。Al含量越高，沟道电子浓度越高。20-30%的Al含量范围兼顾了沟道电子浓度和迁移率。由于AlGaAs的禁带宽度比GaAs大，从而在n+AlGaAs施主层中的电子很自然的积累在AlGaAs/GaAs界面处，使得i-GaAs沟道中形成高迁移率沟道。从能量上来看，这些电子也倾向于留在GaAs沟道层中。5.4.4HEMT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）。

5.5半导体光源三种跃迁过程E2E1（a）自发辐射E2E1（c）受激辐射E2E1（b）受激吸收受激辐射与自发辐射虽然都是从高能级向低能级跃迁并发射光子的过程，但这两种辐射却存在着重要的区别。最重要的区别在于光辐射的相干性，由自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一定的任意性，而受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即有高度的简并性。5.5.2LD1激光振荡原理二能级体系的基本光学过程考虑能量为E1和E2、电子浓度为N1和N2的二能级体系的光学过程，这不一定局限于半导体。三个主要的过程：（a）吸收（b）自然发射（c）受激发射光电探测器和太阳能电池中的基本过程。自然发射产生的光在空间和时间上呈随机性（非相干），这是LED的主要机理。受激发射需要光子输入来激发电子跃迁，以产生相同波长和相位的另一个光子（相干）。它是激光振荡的主要机理。5.5.2LD1激光振荡原理二能级体系的基本光学过程光强（或光子数Nhν）的净变化为受激发射＋自然发射－吸收所以光增益要求N2>N1

——粒子数反转为了获得粒子数反转，可使用外部源如光源的激励。对于注入式激光器，p-n结正偏置提供载流子注入。在结的任何一侧，注入的少数载流子与多数载流子复合以产生光。

5.5.2LD1激光振荡原理产生激光要的条件除了粒子数反转外，还需要：谐振腔：能起到光反馈作用，形成激光振荡；形成形式多样，最简单的是法布里-帕罗谐振腔。还必须满足阈值条件：也就是增益要大于总的损耗。F-P腔5.6半导体光电探测器各种不同类型的光电探测器的性能由其量子效率、频率响应及响应灵敏度决定。在这里所讨论的半导体探测器是本征型的，即半导体中所产生光子的能量接近半导体的禁带宽度。而非本征光电探测器是用来检测能量小于禁带宽度的光，这依赖于深能级陷阱，或者是量子阱中不同的能级。本节讨论的探测器有光电导、结型如p-i-n二极管、MSM（金属-半导体-金属）型光电探测器和APD（雪崩击穿二极管）。

5.6.1光电导探测器光电导元件又称为光敏电阻器、光电导电池，或简称为光电池。它是开发的第一种量子光电探测器，在此之前的很长一段时期内都只有光热电探测器。1873年，Smith发现了硒的光电导性。涉及载流子从价带激发到导带的光电导元件称为本征型光电导元件；而涉及杂质能级和价带或导带之间的则称为非本征型光电导元件。InSb、HgCdTe材料Ge、Si掺杂材料5.6.2p-i-n光电二极管p-i-n光电二极管是最常用的光电探测器之一，有时简称为光电二极管。20世纪40年代后期开发的p-n结可应用于许多光子器件，如20世纪50年代的光电二极管、太阳能电池及LED。20世纪50年代后期开发的p-i-n光电二极管是对常规p-n结光电二极管的改进。半导体反偏pn结的耗尽层引起空穴和电子的分离。当光子进入该器件，则会产生空穴-电子对。耗尽层的电场足够高以便可以分离空穴和电子，且把这些载流子送到各自主要载流子区域。5.6.3雪崩击穿二极管前面提到的p-i-n二极管没有增益，只是增益有所提高后性能有所改善。增加反向电压使之接近二极管的击穿电压，在本征层或n-层的电场强度会很高，这会导致载流子在与晶格发生碰撞之前被被电场加速到很高的速度，这种器件就称为雪崩击穿二极管（APD）。假如这一速度很高，则碰撞会是非弹性的，进而引起离子化，导致更多的电子和空穴产生。接着这些由碰撞所产生的电子和空穴与原来的电子一起继续被电场加速，会不断产生新的电子-空穴对。5.6.3雪崩击穿二极管典型结构(a)一般平面p-i-n或p-n结构。(b)台面结构。(c)肖特基势垒结构。因为APD工作在较大的反偏下，所以在结周围引入保护环以防止表面击穿是很重要的。常用材料有Si、Ge和Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。正如后面所讨论的那样，要获得最小的噪声，关键在于αn和αp差别大。Si的αn/αp比很大，为50；而Ge和Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的αn/αp比则约小于2。5.6.3雪崩击穿二极管特性由碰撞电离引起的载流子的倍增，这里电子作为初始电流，且αn»αp。雪崩光电二极管的增益机理是雪崩倍增，雪崩倍增是碰撞电离的结果，通常会重复多次。倍增因子电离系数是电场强度的函数，且随材料参数改变。5.6.3雪崩击穿二极管在低压下，特性类似于p-i-n光电二极管或肖特基势垒光电二极管。在较高电压下，暗电流和光电流都被放大。I-V特性量子效率

倍增的光电流遗憾的是，暗电流也在倍增。噪声因子k应减到最小（使比值α比大）以减小噪声。5.6.3雪崩击穿二极管雪崩光电二极管的响应时间受雪崩积累的限制。这是除通过器件的渡越时间以外的时间，所以雪崩光电二极管比p-i-n二极管或肖特基势垒光电二