第五章金属半导体场效应晶体管课件.ppt

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2011.6化合物半导体器件化合物半导体器件 金属半导体肖特基接触金属半导体肖特基接触 MESFET HEMT 第五章第五章 化合物半导体场效应晶体管化合物半导体场效应晶体管化合物半导体器件化合物半导体器件场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管结型场效结型场效应晶体管应晶体管 （JFET）金属半导体金属半导体场效应晶体管场效应晶体管（MESFET）MOS 场效应场效应 晶体管晶体管（MOSFET）场效应晶体管（Field Effe

2、ct Transistor,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 化合物半导体器件化合物半导体器件场效应晶体管的分类场效应晶体管的分类化合物半导体器件化合物半导体器件 5.1 金属半导体肖特基接触金属半导体肖特基接触5.1.1 能带结构能带结构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）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；（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）接触后的金属半导体能带图，费米能级处处相同1)势垒高度势垒高度以金属以金属/n型半导体接触为例，假定型半导体接触为例，假定

3、m m(W(Wm m)s s(W(Ws s)化合物半导体器件化合物半导体器件图图5.2形成整流接触的两种情况：形成整流接触的两种情况：（a）ms，n型半导体；（型半导体；（b）mWs化合物半导体器件化合物半导体器件 5.1 金属半导体肖特基接触金属半导体肖特基接触图图5.6 载流子通过肖特基势垒的输运过程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；、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；、电子穿过势垒的量子隧穿效应；3、在空间电荷区的复合；、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

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)电流模型电流模型扩散模式：适于厚的阻挡层扩散模式：适于厚的阻挡层(X(XD Dlln n)热电子发射模式：热电子发射模式：适于轻掺杂、薄阻挡适于轻掺杂、薄阻挡层层(l(ln n X XD D)隧道效应隧道效应：（：（引起引起势垒高度降低）势垒高度降低）镜像力效应镜像力效应：（势：（势垒顶向内移动，使垒顶向内移动，使势垒降低）势垒降低）化合物半导体器件化合物半导体器件 5.1 金属半导体肖特基接触金属半导体肖特基接触5.1.3 肖特基二极管肖特基二极管1)相同之处：都具有单向导电性（整流特性）相同之处：都具有单向导电性（整流特性）2

5、)不同之处：不同之处：pnpn结：少子器件；扩散电流；有电荷存结：少子器件；扩散电流；有电荷存贮效应；高频性能差；贮效应；高频性能差；J JS S小于小于J JSDSD(J(JSTST)；导通电压高。；导通电压高。SchottySchotty势垒：多子器件；漂移电流；无电荷存贮效应；势垒：多子器件；漂移电流；无电荷存贮效应；高频性能好；高频性能好；J JSDSD(J(JSTST)远大于远大于J JS S；导通电压低。；导通电压低。3)应用：应用：高速高速TTLTTL金属金属-半导体雪崩二极管半导体雪崩二极管肖特基栅肖特基栅场效应晶体管场效应晶体管与与pn结二极管相比结二极管相比2)如何实现如何

6、实现1)定义：定义：5.1.4 欧姆接触欧姆接触化合物半导体器件化合物半导体器件 金属半导体肖特基接触金属半导体肖特基接触 MESFET HEMT 第五章第五章 金属半导体场效应晶体管金属半导体场效应晶体管化合物半导体器件化合物半导体器件 5.2 MESFET5.2.1器件结构器件结构1)3个金个金-半接触半接触2)器件结构参数器件结构参数LLgsLgdL源极漏极Za型n衬底半导体绝缘栅极LLgsLgdL源极漏极Za型n衬底半导体绝缘栅极的透视图MESFET)(a漏极源极栅极aWLDV0GV漏极源极栅极aWLDV0GV栅极区域的截面图MESFET)(b图 6.10化合物半导体器件化合物半导体器

7、件 5.2 MESFET5.2.2 工作原理工作原理1)偏置电压偏置电压2)沟道电阻沟道电阻3)输出特性：输出特性：V VGSGS=0,V=0,VDSDS0;0;以耗尽型以耗尽型n沟沟MESFET为例为例沟道未夹断前：线性区沟道未夹断前：线性区化合物半导体器件化合物半导体器件 5.2 MESFET沟道刚被夹断：饱和电压沟道刚被夹断：饱和电压VDsat沟道夹断后：饱和区沟道夹断后：饱和区3)输出特性：输出特性：V VGSGS=0,V=0,VDSDS0;0;化合物半导体器件化合物半导体器件 5.2 MESFET3)输出特性：输出特性：V VGSGS=-1,V=-1,VDSDS0;0;4)转移特性：

8、转移特性：VDS一定时，一定时，ID随随VGS的变化规律的变化规律-跨导跨导gm5)增强型增强型MESFET:未加栅压（未加栅压（VGS=0）时，沟道就已夹断）时，沟道就已夹断化合物半导体器件化合物半导体器件 5.2 MESFET5.2.3 电流电流-电压特性电压特性GVDVDI1W2W型n源极a漏极宽度y)(yWGVDVDI1W2W型n源极a漏极宽度y)(yW源极漏极ydyy dy)(yVDVyL0源极漏极ydyy dy)(yVDVyL0沟道区的放大图)(a化沿着沟道的漏极电压变)(b图 6.12dx肖克莱缓变沟道近似模型肖克莱缓变沟道近似模型 dy两端的电压降两端的电压降 耗尽层宽度耗尽层

9、宽度1)直流直流I-V特性特性 电流电流-电压关系式电压关系式化合物半导体器件化合物半导体器件 5.2 MESFET5.2.3 电流电流-电压特性电压特性 沟道电导沟道电导2 2）直流参数）直流参数 饱和电流饱和电流夹断电压夹断电压饱和电压饱和电压 最大饱和漏极电流最大饱和漏极电流最小沟道电阻最小沟道电阻nDV半绝缘衬底SVGVnDV半绝缘衬底SVGVGVnDV半绝缘衬底GVSVnDV半绝缘衬底GVGVSVSV0DIDVV0.0GVV1.0GVV2.0GVV3.0GVV4.0GV0DIDVV0.0GVV1.0GVV2.0GVV3.0GVV4.0GV0DIDVV4.0GVV3.0GVV2.0GV

10、V1.0GV0DIDVV4.0GVV3.0GVV2.0GVV1.0GV0TVGVDI0TVGVDIDI0GVDI0GVMESFET)(耗尽型aMESFET)(增强型b图 6.14 IV特性的比较3 3）交流参数）交流参数跨导跨导漏导漏导化合物半导体器件化合物半导体器件 5.2 MESFET5.2.4 负阻效应负阻效应电子从电子从能谷跃迁到能谷跃迁到L L能谷，能谷，n n下降。下降。GaAs、InP和和Si材料中载流子的速场关系材料中载流子的速场关系化合物半导体器件化合物半导体器件 5.2 MESFET5.2.5 高频特性高频特性高频小信号分析的方法高频小信号分析的方法实验分析：测实验分析：测

11、S参数参数解析模型：从载流子输运机理出发，在器件工艺和结构解析模型：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。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 和电流连续性方程和电流连续性方程化合物半导体器件化合物半导体器件 5.2 MESFET5.2.5 高频特性高频特性等效电路：电路的端特性与器件的外部特性是等效的等效电路：电路的端特性与器件的外部特性是等效的1)1)特征频率特征频率f fT T：=1=1时的工作频率时的工作频率2)2)最高振荡频率最高振荡频率f fmaxmax：共源功率增

12、益为：共源功率增益为1 1时的频率时的频率3)3)影响频率特性的因素影响频率特性的因素化合物半导体器件化合物半导体器件 5.2 MESFET5.2.6 MESFET器件结构举例器件结构举例1)结构演变结构演变最初形式：有源层直接在半绝缘（最初形式：有源层直接在半绝缘（SISI）衬底上）衬底上 器件特性：噪声特性差器件特性：噪声特性差 原因：衬底上缺陷的影响原因：衬底上缺陷的影响演变演变：在衬底与有源层间加一不掺杂的缓冲层：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目的：减小衬底缺陷的影响 器件性能：噪声及增益较器件性能：噪声及增益较有所改善有所改善演变演变：在源、漏金属电极与

13、有源层间插入一：在源、漏金属电极与有源层间插入一n n+层层 目的：减小串联电阻目的：减小串联电阻R RS S、R RD D演变演变：凹槽结构：凹槽结构 作用：降低漏端的电场作用：降低漏端的电场 目的：提供目的：提供BVBVDSDS，增加，增加p p0 0大部分的大部分的MESFET是用是用n型型-化合物半导体制成：化合物半导体制成：具有高的具有高的n n和较高的饱和速度，故和较高的饱和速度，故f fT T很高。很高。化合物半导体器件化合物半导体器件 5.2 MESFET5.2.6 MESFET器件结构举例器件结构举例2)栅结构栅结构半绝缘栅：在栅电极与有源层间加一半绝缘栅：在栅电极与有源层间

14、加一SISI区区 作用：减小电容作用：减小电容C Cg g,减低栅极反向漏电；提供减低栅极反向漏电；提供BVBVGSGS,改改善微波特性。善微波特性。栅缓冲层：在栅电极与有源层间加一缓冲层栅缓冲层：在栅电极与有源层间加一缓冲层 作用：与作用：与相同相同埋（层）栅：埋（层）栅：作用：与凹型槽栅相似作用：与凹型槽栅相似自对准栅：自对准栅：作用：减少表面能级的影响作用：减少表面能级的影响双栅：双栅：G G1 1是信号栅，是信号栅，G G2 2是控制栅是控制栅 优点（与单栅比）：两个栅极可分别控制；漏端一优点（与单栅比）：两个栅极可分别控制；漏端一侧的侧的G G2 2可减小器件内部反馈，从而提高增益，

15、增加可减小器件内部反馈，从而提高增益，增加稳定性。稳定性。化合物半导体器件化合物半导体器件 5.2 MESFET5.2.6 MESFET器件结构举例器件结构举例3)异质结异质结MESFET双异质结双异质结MESFETMESFET G G极：金属极：金属AlAl；层：层：Al0.48In0.52AsAl0.48In0.52As，60nm60nm；层：层：Ga0.47In0.53AsGa0.47In0.53As，145nm145nm；（有源层或沟道层）；（有源层或沟道层）层：层：Al0.48In0.52AsAl0.48In0.52As，100nm100nm；衬底：衬底：(100)InP(100)I

16、nP。优点：优点：GaInAsGaInAs比比GaAsGaAs具有更高的低场具有更高的低场n n和和v vp p，从而使器件，从而使器件 具有较高的具有较高的g gm m和工作速度；和工作速度；AlInAsAlInAs与与InPInP衬底晶格匹配好，可降低界面陷阱。衬底晶格匹配好，可降低界面陷阱。化合物半导体器件化合物半导体器件 5.2 MESFET5.2.6 MESFET器件结构举例器件结构举例3)异质结异质结MESFET具有界面反型的异质结具有界面反型的异质结MESFETMESFETa.a.窄禁带材料窄禁带材料-GaAs-GaAs:做在做在SISI衬底上；衬底上；b.Schottyb.Sc

17、hotty结：做在宽禁带的结：做在宽禁带的n n+AlxGa1-xAsAlxGa1-xAs上；上；c.c.反型层的形成：在异质结界面处的反型层的形成：在异质结界面处的p-GaAsp-GaAs表面（通过调表面（通过调 节节x x、N NA A、N ND D）d.d.器件特性：有较高的器件特性：有较高的g gm m和工作速度和工作速度4 4）GaAsGaAs材料的优点（与材料的优点（与SiSi相比）相比）n n约高约高5 5倍；倍；v vp p(峰值速度）是峰值速度）是SiSi饱和速度的饱和速度的2 2倍；倍；半绝缘衬底：漏电小；半绝缘衬底：漏电小；良好的欧姆接触。良好的欧姆接触。化合物半导体器件

18、化合物半导体器件 金属半导体肖特基接触金属半导体肖特基接触 MESFET HEMT 第五章第五章 金属半导体场效应晶体管金属半导体场效应晶体管化合物半导体器件化合物半导体器件 5.3 HEMT HEMT:high electron mobility(field effect)transistor 2-DEGFET/TEGFET(two-dimensional electron gas field effect transistor)MODFET:modulation-doped field effect transistor Why HEMT?化合物半导体器件化合物半导体器件 5.3 HEMT

19、5.3.1 基本结构基本结构-调制掺杂结构调制掺杂结构1)衬底衬底2)缓冲层缓冲层3)高阻掺杂层高阻掺杂层4)台面腐蚀台面腐蚀5)淀积金属淀积金属化合物半导体器件化合物半导体器件 5.3 HEMT5.3.2 器件工作原理器件工作原理1)n+AlxGa1-xAs2)i-GaAs3)源、漏两端加电压源、漏两端加电压化合物半导体器件化合物半导体器件 5.3 HEMT5.3.3 器件的结构参数设计器件的结构参数设计1)n+AlxGa1-xAs层层2)i-GaAs层层3)i-AlxGa1-xAs层层4)n+-GaAs层层以耗尽型为例以耗尽型为例5.3.4 改进的改进的HEMT结构结构1)缓变组分缓变组分

20、n+AlxGa1-xAs层层2)超晶格有源层超晶格有源层3)超晶格缓冲层超晶格缓冲层5.3.5 提高提高2DEG浓度的途径浓度的途径1)多沟道多沟道HEMT2)2)E EC C尽可能大的异质结尽可能大的异质结化合物半导体器件化合物半导体器件 5.3 HEMT1）能带图）能带图2）阈值电压）阈值电压VT3）2DEG的浓度的浓度nS5.3.6 HEMT的基本特性的基本特性不同偏压下的导带结构（不同偏压下的导带结构（a）VG=0，（，（b）VG=VT（c）VGVT化合物半导体器件化合物半导体器件 5.3 HEMT5.3.7 电流电压特性电流电压特性1）漏极电流）漏极电流ID2）ID-VDS关系曲线（

21、伏安特性）关系曲线（伏安特性）化合物半导体器件化合物半导体器件 5.3 HEMT5.3.8 赝高电子迁移率晶体管赝高电子迁移率晶体管-PHEMT1）PHEMT的器件结构的器件结构2）PHMET的工作原理的工作原理3）PHMET的特点的特点PHEMT能带图能带图PHEMT结构图结构图赝：赝：Pseudomorphic，赝形体，赝晶，假晶；应变材料，赝形体，赝晶，假晶；应变材料PHEMT:沟道层是赝晶层（应变层）的沟道层是赝晶层（应变层）的HEMT化合物半导体器件化合物半导体器件 5.3 HEMT5.3.8 赝高电子迁移率晶体管赝高电子迁移率晶体管-PHEMT器件结构：器件结构：衬底：衬底：缓冲层

22、：缓冲层：辅助沟道层：辅助沟道层：隔离层：隔离层：沟道层：沟道层：电子供给层：电子供给层：SchottySchotty接触：接触：帽层：帽层：器件特点：器件特点：InPInP辅助沟道具有电子供给层和辅助沟道具有电子供给层和沟道层的双重作用沟道层的双重作用InGaAsInGaAs的低场高迁移率和的低场高迁移率和InPInP的的高场高漂移速度高场高漂移速度高的高的n ns s器件特性：器件特性：高高g gm m：1290ms/mm1290ms/mm高频：高频：L=0.6L=0.6m m时，时，f fT T=68.7GHz=68.7GHz(是是GaAsGaAs HEMT HEMT的的1.31.3倍）倍）4 4）InPInP-HEMT-HEMT化合物半导体器件化合物半导体器件 5.3 HEMT5.3.8 赝高电子迁移率晶体管赝高电子迁移率晶体管-PHEMT器件结构：器件结构：衬底：衬底：缓冲层：缓冲层：沟道层：沟道层：施主层：施主层：渐变层：渐变层：帽层：帽层：特点：特点：器件特点：器件特点：沟道层是应变沟道层是应变SiSi（应变（应变SiSi的的n n是体是体SiSi的的3 3倍）倍）5 5）硅基异质结）硅基异质结HEMT-SiGe/SiHEMT-SiGe/Si MODFET MODFET（PHEMTPHEMT）