西安电子科技大学化合物半导体材料与器件课件第一章 绪论优质PPT.pptx

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Nc=2.8*1019Nv=1.1*1019,化合物半导体器件,硅的重要性质,化合物半导体器件,硅的重要性质,化合物半导体器件,4、光学性质吸收限（gap）：

1.1m辐射寿命（s）：

几个ms典型辐射效率（%）：

1%,Si尚不能很好应用的领域,1.光发射器件：

任意波长发光二极管（LED），激光二极管（LD）。

2.中、远红外探测器：

1.1m光纤通讯：

=1.3和1.5m；

大气窗口：

=3-5m和=5-12m；

热光电器件：

感应500K的黑体。

3.紫外探测器：

0.5m太阳盲区（日盲）型：

280nm。

超高速器件：

f40GHz,光通讯领域高温器件：

T2000C，航天、导弹等。

低温器件：

T4.2K，航天等。

化合物半导体器件,化合物半导体材料与器件的优势,材料优势：

高迁移率、直接带隙、能带可裁剪、晶格常数可变：

大多数n比Si高，如GaAs的n为8000；

Eg：

大多数在1.1eV以上（较Si宽），且范围宽；

能带结构：

多数是直接带隙（D型）；

能带工程：

Eg随化合物组分变化而改变；

电阻率：

1010，很好的半绝缘；

（Si：

2.310，非半绝缘）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。

化合物半导体器件,表1.1半导体材料的电学特性,化合物半导体器件,图1.1化合物半导体电子的速场关系,低场下：

漂移速度随电场的增加而增大；

高场下：

103-104V/cm以上，漂移速度趋于饱和，甚至下降思考题：

1）为什么电子的迁移率要大于空穴？

2）为什么高场下载流子漂移速度会趋于饱和？

载流子漂移速度与电场的关系,化合物半导体器件,化合物半导体材料与器件的优势,器件优势：

超高速、低功耗、多功能、抗辐射（以数字器件为例，与Si比较）高速器件：

迁移率大；

高温器件：

多数的Eg大；

低温高速器件：

低温迁移率大；

HEMT及HBT器件：

异质结特性；

发光器件：

LED，半导体激光器（LD）；

光探测器：

红外、可见光、紫外；

负阻器件：

化合物半导体的异质结与量子阱特性光电集成：

SiGe、ZnO半导体目前，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,化合物半导体器件,图1.2化合物半导体器件在微波应用领域的优势,化合物半导体材料与器件的优势,化合物半导体器件,图1.3化合物半导体器件/电路的应用频段,化合物半导体材料与器件的优势,化合物半导体器件,图1.4,SiGe技术OEIC示意,化合物半导体材料与器件的优势,化合物半导体器件,化合物半导体材料与器件的优势,化合物半导体器件,例如，比较GaAs，InP，Si的MESFET器件性能设栅长，：

GaAs：

InP：

Si2.1：

3.2：

；

：

GaAs，InP，Si2.6:

1.7:

1；

化合物半导体的发展历史,化合物半导体器件,图1.3半导体发光二极管的发展历程,化合物半导体器件,化合物半导体器件未来的发展方向,新功能：

光接收，光发射，光电、热电、磁电压电等各种换能功能。

高性能：

超高频、超高速、低噪声、低功耗、高输出高集成度光电集成:

OEIC,化合物半导体器件,第二代半导体-砷化镓,砷化镓器件与硅器件特性比较,化合物半导体器件,GaAs非常适合高频无线通讯,化合物半导体器件,GaAs是功率放大器的主流技术,化合物半导体器件,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，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CMOS制程为主。

手机中重要关键零部件功率放大器（PowerAmplifier，PA），由于对放大功率的严格要求，因此使用GaAs制造将是最佳方式。

GaAs在无线通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。

手机是促进GaAsIC市场增长的主要动力,化合物半导体器件,根据StrategyAnalytics的报告，手机仍将是促进砷化镓（GaAs）IC市场增长的主要动力2004年GaAs芯片市场29亿美元，2008年将达37亿美元2003年无线市场占GaAs器件总体需求的41%以上，来自汽车雷达等其它应用的需求将会增长，但2008年手机仍将至少占GaAs市场的33%随着手机需求成长，以及每支手机所需PA从单频增为双频和三频，预计光手机这项需求，2008年GaAs芯片将达到30亿颗,国内外GaAs技术现状对比,化合物半导体器件,目前我国在研制通信用砷化镓器件方面尚处于起步阶段。

手机用砷化镓电路基本靠进口。

随着我国通信产业迅速发展，对砷化镓器件需求越来越大。

因此发展砷化镓器件产业对国内通信产业具有重大意义。

砷化镓电路用于手机的功放和开关部分，还可用于移动通信基站、光通信、卫星通信、CATV、军事通信等重要用途，应用领域非常广泛。

GaAs还有更多的应用领域,化合物半导体器件,光纤通信具有高速、大容量、信息多的特点，是构筑“信息高速公路”的主干，大于2.5G比特/秒的光通信传输系统，其收发系统均需要采用GaAs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LED、测距、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、量子阱大功率激光器等均有极大市场需求；

GaAs基高效太阳能电池的用量也十分大，对低阻低位错GaAs产业的需求十分巨大而迫切。

我国数十亿只LED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，因此生产高质量的低阻GaAs单晶，促进LED管芯、可见光激光器、高亮度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。

第三代半导体材料锗硅,化合物半导体器件,锗硅（SiGe）是一种新型的高速半导体材料，其特征是在Si中掺入不同组分的Ge能灵活方便调控能带宽度，从而极大提高器件和电路的性能。

SiGe合金材料与Si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，获得噪声低晶体管。

Si/SiGe异质结双极晶体管（HBT）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。

SiGe工艺与成熟的Si基BiCMOS工艺兼容，可以进行大规模集成。

与Si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、数模混合模拟电路。

SiGeHBT技术,化合物半导体器件,SiGeHBT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RF电路与高速电路。

1996年，美国巴尔的摩公司制造出S波段230WSiGeHBT脉冲功率晶体管，工作频率为2.8GHz。

2002年，IBM公司报道了特征频率高达350GHZ的SiGeHBT，器件具备优良的射频特性。

2004年，GermanyIHP公司制造出fT=300GHz，fmax250GHz，门延迟时间小于3.3ps的SiGeHBT；

2004年，GermanyInfineon公司制造出fT=225GHz，fmax300GHz，门延迟时间小于3.2ps的SiGeHBT；

2004年，IBM公司制造出fT=300GHz，fmax350GHz，门延迟时间小于3.3ps的SiGeHBT。

SiGeHBT结构示意图,化合物半导体器件,SiGeMOS,化合物半导体器件,1）WLNASiGe半导体公司的SE2522L2.4GHz功率放大器采用具有功率控制电路的SiGe结构，其电流消耗仅为同类产品的50%。

可驱动支持802.11b的膝上型电脑、计算机外设、蜂窝电话及其它手持计算设备。

SE2522L采用了SE2520L的架构但增加了功率检测功能以增强功能，简化CMOS射频上WLAN系统的设计。

该放大器可在完整工作循环下工作，线性输出功率达20dBm，每100KHz的相邻通道功率比小于-20dBm。

它使用3.3V单电源，电流消耗达110mA。

SiGeMOS,化合物半导体器件,2）RF-采用SiGeBiCMOS工艺制造的射频芯片,这是第三代蜂窝电话应用的关键技术SiGeBiCOM工艺目前采用0.35微米光刻技术，截止频率（fT）为45GHz，最低噪声系数为0.7dB，最低线性度在2GHz时为12dB，实现了包括PLL、集成VCO、LNAt和性能卓越的混合器件在内的所有功能，其处理更高输出功率的能力对在集成区域内真正实现接地功能十分有益，功率级至少达到10dBm，并能保持极佳的线性。

RF功能主要取决于无源器件使用情况，而ST的这种工艺能提供大容量RF电容器，以及优质的平面电感器、变容二极管等。

ST即将推出的0.25微米SiGeBiCOMS工艺，可以提供更大的改进余地。

截止频率可提升至70GHZ，噪声系数可明显降低，对无源器件的密度和系数也有极大改善。

目前，0.25微米SiGeBiCOMS原型正在着手准备中，拟于2002年投产。

IBM公司的三代SiGe技术,化合物半导体器件,SiGe的主要市场：

通讯,化合物半导体器件,SiGe集成电路产品,化合物半导体器件,分频器、集成电压控制振荡器（VCO）、低噪声放大器（LNA）系列、A/D转换器、D/A转换器、比较器、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（HBT）、宽带低噪声SiGe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、5.2GHZ单片收发器、GPS接收器、射频收发前端、单片收发前端芯片、大动态范围混频器、综合器、双频带混频器系列、信频器、多速率时钟恢复和限制放大器、多速中串并/并串转换器接口、单片限制放大器、跨阻放大器、RSP单片收发器和高速光纤收发模块，等等。

化合物半导体器件,第三代半导体材料氮化镓,化合物半导体器件,禁带宽度Eg2eV称为窄禁带半导体，如锗（Ge）、硅（Si）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）禁带宽度Eg为2.06.0eV称为宽禁带半导体材料，如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）以及氮镓铝（AlCaN）宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿场强高、饱和电子迁移速率高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强，以及良好的化学稳定性适合制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件，而且可以制作蓝、绿和紫外光器件和光探测器件美国、日本、俄罗斯极其重视宽禁带半导体技术的研究和开发,氮化镓与其它半导体材料的比较,化合物半导体器件,凭借GaN半导体材料在高温高频、大功