西安电子科技大学化合物半导体材料与器件课件第五章 金属半导体场效应晶体管.pptx

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化合物半导体器件,化合物半导体器件,CompoundSemiconductorDevices微电子学院戴显英2014.10,金属半导体肖特基接触MESFETHEMT,化合物半导体器件,第五章化合物半导体场效应晶体管,场效应晶体管,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,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）,化合物半导体器件,件,化合物半导体器,场效应晶体管的分类,5.1金属半导体肖特基接触,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,能带结构以金属/n型半导体接触为例，假定m（Wm）s（Ws）势垒高度,化合物半导体器件,图5.2形成整流接触的两种情况：

（a）ms，n型半导体；（b）ms，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,阻挡层:

半导体一侧高阻的空间电荷区（势垒区）反阻挡层：

半导体一侧很薄的高导电层,化合物半导体器件,5.1金属半导体肖特基接触,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,基本模型-整流理论外加电压以金属/n型半导体接触为例，且WmWs,化合物半导体器件,5.1金属半导体肖特基接触,2）电流模型扩散模式：

适于厚的阻挡层（XDln）热电子发射模式：

适于轻掺杂、薄阻挡层（lnXD）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）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。

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,肖特基二极管与pn结二极管相比相同之处：

都具有单向导电性（整流特性）不同之处：

pn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。

Schotty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。

应用：

高速TTL金属-半导体雪崩二极管肖特基场栅效应晶体管欧姆接触定义：

2）如何实现,金属半导体肖特基接触MESFETHEMT,化合物半导体器件,第五章金属半导体场效应晶体管,5.2MESFET,5.2.1器件结构3个金-半接触器件结构参数,化合物半导体器件,5.2MESFET,工作原理偏置电压,沟道电阻输出特性：

VGS=0,VDS0;,以耗尽型n沟MESFET为例,沟道未夹断前：

线性区,化合物半导体器件,5.2MESFET,沟道刚被夹断：

饱和电压VDsat,化合物半导体器件,沟道夹断后：

饱和区,3）输出特性：

VGS=0,VDS0;,5.2MESFET,3）输出特性：

VGS=-1,VDS0;,化合物半导体器件,转移特性：

VDS一定时，ID随VGS的变化规律-跨导gm增强型MESFET:

未加栅压（VGS=0）时，沟道就已夹断,5.2MESFET,dx,电流-电压特性直流I-V特性肖克莱缓变沟道近似模型dy两端的电压降耗尽层宽度电流-电压关系式,化合物半导体器件,5.2MESFET,5.2.3电流-电压特性,导,沟道电饱和电流2）直流参数,夹断电压饱和电压最大饱和漏极电流最小沟道电阻3）交流小信号参数跨导漏导,化合物半导体器件,5.2MESFET,5.2.4负阻效应电子从能谷跃迁到L能谷，n下降。

GaAs、InP和Si材料中载流子的速场关系,化合物半导体器件,5.2MESFET,5.2.5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,化合物半导体器件,5.2MESFET,5.2.5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,化合物半导体器件,特征频率fT：

=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,化合物半导体器件,5.2MESFET,目的：

提供BVDS，增加p0,MESFET器件结构举例大部分的MESFET是用n型-化合物半导体制具成：

有高的n和较高的饱和速度，故fT很高。

结构演变最初形式：

有源层直接在半绝缘（SI）衬底上器件特性：

噪声特性差原因：

衬底上缺陷的影响演变：

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：

噪声及增益较有所改善演变：

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、RD演变：

凹槽结构作用：

降低漏端的电场,5.2MESFET,化合物半导体器件,5.2.6MESFET器件结构举例2）栅结构半绝缘栅：

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。

栅缓冲层：

在栅电极与有源层间加一缓冲层作用：

与相同埋（层）栅：

作用：

与凹型槽栅相似自对准栅：

作用：

减少表面能级的影响双栅：

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。

5.2MESFET,化合物半导体器件,5.2.6MESFET器件结构举例,3）异质结MESFET双异质结MESFETG极：

金属Al；,层：

Al0.48In0.52As，60nm；层：

Ga0.47In0.53As，145nm；（有源层或沟道层）层：

Al0.48In0.52As，100nm；衬底：

（100）InP。

优点：

GaInAs比GaAs具有更高的低场n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。

5.2MESFET,化合物半导体器件,5.2.6MESFET器件结构举例,3）异质结MESFET,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）n约高5倍；vp（峰值速度）是Si饱和速度的2倍；半绝缘衬底：

漏电小；良好的欧姆接触。

金属半导体肖特基接触MESFETHEMT,化合物半导体器件,第五章金属半导体场效应晶体管,化合物半导体,5.3HEMT,HEMT:

highelectronmobility（fieldeffect）transistor2-DEGFET/TEGFET（two-dimensionalelectrongasfieldeffecttransistor）MODFET:

modulation-dopedfieldeffecttransistor,WhyHEMT?

器件,化合物半,5.3HEMT,基本结构-调制掺杂结构衬底缓冲层高阻掺杂层台面腐蚀淀积金属,导体器件,化合物半导体器件,5.3HEMT,器件工作原理n+AlxGa1-xAsi-GaAs源、漏两端加电压,5.3HEMT,化合物半导体器件,5.3.3器件的结构参数设计以耗尽型为例,n+AlxGa1-xAs层i-GaAs层i-AlxGa1-xAs层n+-GaAs层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,提高2DEG浓度的途径多沟道HEMTEC尽可能大的异质结,5.3HEMT,5.3.6HEMT的基本特性能带图阈值电压VT3）2DEG的浓度nS,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,5.3HEMT,5.3.7电流电压特性漏极电流IDID-VDS关系曲线（伏安特性）,化合物半导体器件,5.3HEMT,5.3.8赝高电子迁移率晶体管-PHEMT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HEMTPHEMT的器件结构PHMET的工作原理PHMET的特点,PHEMT结构图,PHEMT化能合带物半图导体器件,5.3HEMT,化合物半导体器件,5.3.8赝高电子迁移率晶体管-PHEMT4）InP-HEMT,器件结构：

衬底：

缓冲层：

辅助沟道层：

隔离层：

沟道层：

电子供给层：

Schotty接触：

帽层：

器件特点：

InP辅助沟道具有电子供给层和沟道层的双重作用InGaAs的低场高迁移率和InP的高场高漂移速度高的ns器件特性：

高gm：

1290ms/mm高频：

L=0.6m时，fT=68.7GHz（是GaAsHEMT的1.3倍）,5.3HEMT,化合物半导体器件,器件结构：

衬底：

缓冲层：

沟道层：

施主层：

渐变层：

帽层：

特点：

器件特点：

沟道层是应变Si（应变Si的n是体Si的3倍）,5.3.8赝高电子迁移率晶体管-PHEMT5）硅基异质结HEMT-SiGe/SiMODFET（PHEMT）,