第五章金属半导体场效应晶体管课件

化合物半导体器件

CompoundSemiconductorDevices

微电子学院

戴显英

2011.6化合物半导体器件

CompoundSemiconduct1金属半导体肖特基接触MESFETHEMT第五章化合物半导体场效应晶体管金属半导体肖特基接触第五章化合物半导体场效应晶体管2场效应晶体管场效应晶体管结型场效应晶体管（JFET）金属－半导体场效应晶体管（MESFET）MOS场效应晶体管（MOSFET）场效应晶体管（FieldEffectTransistor,缩写为FET）是一种电压控制器件，其导电过程主要涉及一种载流子，也称为“单极”晶体管

场效应晶体管场效应晶体管结型场效应晶体管（JFET）金属3场效应晶体管的分类场效应晶体管的分类4

5.1金属半导体肖特基接触5.1.1能带结构5.1（a）接触前的金属半导体能带图，真空能级处处相同，而费米能级不同；（b）接触后的金属半导体能带图，费米能级处处相同1)势垒高度以金属/n型半导体接触为例，假定Φm(Wm)>Φs(Ws)5.1金属半导体肖特基接触5.1.1能带结构5.1（5图5.2形成整流接触的两种情况：（a）Фm>Фs，n型半导体；（b）Фm<Фs，p型半导体；（c）肖特基接触I-V特性

5.1金属半导体肖特基接触2)阻挡层:半导体一侧高阻的空间电荷区（势垒区）3)反阻挡层：半导体一侧很薄的高导电层图5.2形成整流接触的两种情况：5.1金属半导体肖特基6

5.1金属半导体肖特基接触5.1.2基本模型-整流理论图5.5外加偏压时肖特基接触的能带图（a）正向偏压，（b）反向偏压1)外加电压以金属/n型半导体接触为例，且Wm>Ws5.1金属半导体肖特基接触5.1.2基本模型-整流理7

5.1金属半导体肖特基接触图5.6载流子通过肖特基势垒的输运过程1、电子从半导体出发，越过势垒顶部热发射到金属中；2、电子穿过势垒的量子隧穿效应；3、在空间电荷区的复合；4、空穴从金属注入半导体，等效于半导体中性区的载流子的复合。2)电流模型①扩散模式：适于厚的阻挡层(XD>>ln)②热电子发射模式：适于轻掺杂、薄阻挡层(ln>>XD)隧道效应：（引起势垒高度降低）镜像力效应：（势垒顶向内移动，使势垒降低）5.1金属半导体肖特基接触图5.6载流子通过肖特基势8

5.1金属半导体肖特基接触5.1.3肖特基二极管1)相同之处：都具有单向导电性（整流特性）2)不同之处：①pn结：少子器件；扩散电流；有电荷存贮效应；高频性能差；JS小于JSD(JST)；导通电压高。②Schotty势垒：多子器件；漂移电流；无电荷存贮效应；高频性能好；JSD(JST)远大于JS；导通电压低。3)应用：①高速TTL②金属-半导体雪崩二极管③肖特基栅场效应晶体管与pn结二极管相比2)如何实现1)定义：5.1.4欧姆接触5.1金属半导体肖特基接触5.1.3肖特基二极管1)9金属半导体肖特基接触MESFETHEMT第五章金属半导体场效应晶体管金属半导体肖特基接触第五章金属半导体场效应晶体管10

5.2MESFET5.2.1器件结构1)3个金-半接触2)器件结构参数5.2MESFET5.2.1器件结构1)3个金-半接11

5.2MESFET5.2.2工作原理1)偏置电压2)沟道电阻3)输出特性：①VGS=0,VDS>0;以耗尽型n沟MESFET为例沟道未夹断前：线性区5.2MESFET5.2.2工作原理1)偏置电压12

5.2MESFET沟道刚被夹断：饱和电压VDsat沟道夹断后：饱和区3)输出特性：①VGS=0,VDS>0;5.2MESFET沟道刚被夹断：饱和电压VDsat沟道13

5.2MESFET3)输出特性：②VGS=-1,VDS>0;4)转移特性：VDS一定时，ID随VGS的变化规律-跨导gm5)增强型MESFET:未加栅压（VGS=0）时，沟道就已夹断5.2MESFET3)输出特性：②VGS=-1,VD14

5.2MESFET5.2.3电流-电压特性dx肖克莱缓变沟道近似模型①dy两端的电压降②耗尽层宽度1)直流I-V特性③电流-电压关系式5.2MESFET5.2.3电流-电压特性dx肖克15

5.2MESFET5.2.3电流-电压特性④沟道电导2）直流参数⑤饱和电流①夹断电压②饱和电压③最大饱和漏极电流④最小沟道电阻3）交流参数①跨导②漏导5.2MESFET5.2.3电流-电压特性④沟道16

5.2MESFET5.2.4负阻效应电子从Г能谷跃迁到L能谷，μn下降。GaAs、InP和Si材料中载流子的速场关系5.2MESFET5.2.4负阻效应电子从Г能谷跃17

5.2MESFET5.2.5高频特性高频小信号分析的方法实验分析：测S参数解析模型：从载流子输运机理出发，在器件工艺和结构基础上，进行合理的数学描述。数值模型：采用有限元或有限迭代方法，求解泊松方程和电流连续性方程5.2MESFET5.2.5高频特性高频小信号分析18

5.2MESFET5.2.5高频特性等效电路：电路的端特性与器件的外部特性是等效的特征频率fT：β=1时的工作频率最高振荡频率fmax：共源功率增益为1时的频率影响频率特性的因素5.2MESFET5.2.5高频特性等效电路：电路19

5.2MESFET5.2.6MESFET器件结构举例结构演变①最初形式：有源层直接在半绝缘（SI）衬底上器件特性：噪声特性差原因：衬底上缺陷的影响②演变Ⅰ：在衬底与有源层间加一不掺杂的缓冲层目的：减小衬底缺陷的影响器件性能：噪声及增益较①有所改善③演变Ⅱ：在源、漏金属电极与有源层间插入一n+层目的：减小串联电阻RS、RD④演变Ⅲ：凹槽结构作用：降低漏端的电场目的：提供BVDS，增加p0大部分的MESFET是用n型Ⅲ-Ⅴ化合物半导体制成：具有高的μn和较高的饱和速度，故fT很高。5.2MESFET5.2.6MESFET器件结构举20

5.2MESFET5.2.6MESFET器件结构举例2)栅结构①半绝缘栅：在栅电极与有源层间加一SI区作用：减小电容Cg,减低栅极反向漏电；提供BVGS,改善微波特性。②栅缓冲层：在栅电极与有源层间加一缓冲层作用：与①相同③埋（层）栅：作用：与凹型槽栅相似④自对准栅：作用：减少表面能级的影响⑤双栅：G1是信号栅，G2是控制栅优点（与单栅比）：两个栅极可分别控制；漏端一侧的G2可减小器件内部反馈，从而提高增益，增加稳定性。5.2MESFET5.2.6MESFET器件结构举21

5.2MESFET5.2.6MESFET器件结构举例3)异质结MESFET①双异质结MESFETG极：金属Al；Ⅰ层：Al0.48In0.52As，60nm；Ⅱ层：Ga0.47In0.53As，145nm；（有源层或沟道层）Ⅲ层：Al0.48In0.52As，100nm；衬底：(100)InP。优点：GaInAs比GaAs具有更高的低场μn和vp，从而使器件具有较高的gm和工作速度；AlInAs与InP衬底晶格匹配好，可降低界面陷阱。5.2MESFET5.2.6MESFET器件结构举22

5.2MESFET5.2.6MESFET器件结构举例3)异质结MESFET②具有界面反型的异质结MESFETa.窄禁带材料-GaAs:做在SI衬底上；b.Schotty结：做在宽禁带的n+AlxGa1-xAs上；c.反型层的形成：在异质结界面处的p-GaAs表面（通过调节x、NA、ND）d.器件特性：有较高的gm和工作速度4）GaAs材料的优点（与Si相比）①μn约高5倍；②vp(峰值速度）是Si饱和速度的2倍；③半绝缘衬底：漏电小；④良好的欧姆接触。5.2MESFET5.2.6MESFET器件结构举23金属半导体肖特基接触MESFETHEMT第五章金属半导体场效应晶体管金属半导体肖特基接触第五章金属半导体场效应晶体管24

5.3HEMTHEMT:highelectronmobility(fieldeffect)transistor

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

WhyHEMT?5.3HEMTHEMT:highelectronm25

5.3HEMT5.3.1基本结构-调制掺杂结构1)衬底2)缓冲层3)高阻掺杂层4)台面腐蚀5)淀积金属5.3HEMT5.3.1基本结构-调制掺杂结构1)26

5.3HEMT5.3.2器件工作原理1)n+AlxGa1-xAs2)i-GaAs3)源、漏两端加电压5.3HEMT5.3.2器件工作原理1)n+Al27

5.3HEMT5.3.3器件的结构参数设计n+AlxGa1-xAs层i-GaAs层i-AlxGa1-xAs层n+-GaAs层以耗尽型为例5.3.4改进的HEMT结构缓变组分n+AlxGa1-xAs层超晶格有源层超晶格缓冲层5.3.5提高2DEG浓度的途径多沟道HEMTΔEC尽可能大的异质结5.3HEMT5.3.3器件的结构参数设计n+Al28

5.3HEMT1）能带图2）阈值电压VT3）2DEG的浓度nS5.3.6HEMT的基本特性不同偏压下的导带结构（a）VG=0，（b）VG=VT（c）VG>VT5.3HEMT1）能带图5.3.6HEMT的基本特29

5.3HEMT5.3.7电流电压特性1）漏极电流ID2）ID-VDS关系曲线（伏安特性）5.3HEMT5.3.7电流电压特性1）漏极电流ID30

5.3HEMT5.3.8赝高电子迁移率晶体管-PHEMT1）PHEMT的器件结构2）PHMET的工作原理3）PHMET的特点PHEMT能带图PHEMT结构图赝：Pseudomorphic，赝形体，赝晶，假晶；应变材料PHEMT:沟道层是赝晶层（应变层）的HEMT5.3HEMT5.3.8赝高电子迁移率晶体管-PH31

5.3HEMT5.3.8赝高电子迁移率晶体管-PHEMT器件结构：①衬底：②缓冲层：③辅助沟道层：④隔离层：⑤沟道层：⑥电子供给层：⑦Schotty接触：⑧帽层：器件特点：①InP辅助沟道具有电子供给层和沟道层的双重作用②InGaAs的低场高迁移率和InP的高场高漂移速度③高的ns器件特性：①高gm：1290ms