第五章金屬半導體場效應晶體管

1、化合物半導體器件化合物半導體器件 化合物半導體器件化合物半導體器件 Compound Semiconductor Devices 微電子學院微電子學院 戴顯英戴顯英 2011.6 化合物半導體器件化合物半導體器件 金屬半導體肖特基接觸金屬半導體肖特基接觸 MESFET HEMT 第五章第五章 化合物半導體場效應晶體管化合物半導體場效應晶體管 化合物半導體器件化合物半導體器件 場效應晶體管場效應晶體管 場效應晶體管場效應晶體管 結型場效結型場效 應晶體管應晶體管 （JFET） 金屬半導體金屬半導體 場效應晶體管場效應晶體管 （MESFET） MOS 場效應場效應 晶體管晶體管 （MOSFET）

2、場效應晶體管（Field Effect Transistor, 縮寫為FET）是一種電 壓控制器件，其導電過程主要涉及一種載流子，也稱為 “單極”晶體管 化合物半導體器件化合物半導體器件 場效應晶體管的分類場效應晶體管的分類 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.1 金屬半導體肖特基接觸金屬半導體肖特基接觸 5.1.1 能帶結構能帶結構 5.1 （a）接觸前的金屬半導體能帶圖，真空能級處處相同，而費米）接觸前的金屬半導體能帶圖，真空能級處處相同，而費米 能級不同；（能級不同；（b）接觸后的金屬半導體能帶圖，費米能級處處相同）接觸后的金屬半導體能帶圖，費米能級處處相同 1) 勢壘高度勢壘高度 以

3、金屬以金屬/n型半導體接觸為例，假定型半導體接觸為例，假定m m(W(Wm m) ) s s(W(Ws s) ) 化合物半導體器件化合物半導體器件 圖圖5.2形成整流接觸的兩種情況：形成整流接觸的兩種情況： （a）ms，n型半導體；（型半導體；（b）mWs 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.1 金屬半導體肖特基接觸金屬半導體肖特基接觸 圖圖5.6 載流子通過肖特基勢壘的輸運過程載流子通過肖特基勢壘的輸運過程 1、電子從半導體出發(fā)，越過勢壘頂部熱發(fā)射到金屬中；、電子從半導體出發(fā)，越過勢壘頂部熱發(fā)射到金屬中；2、電子穿過勢壘的量子隧穿效應；、電子穿過勢壘的量子隧穿效應； 3、在空間電荷區(qū)的復合

4、；、在空間電荷區(qū)的復合；4、空穴從金屬注入半導體，等效于半導體中性區(qū)的載流子的復合。、空穴從金屬注入半導體，等效于半導體中性區(qū)的載流子的復合。 2) 電流模型電流模型 擴散模式：適于厚的阻擋層擴散模式：適于厚的阻擋層(X(XD Dlln n) ) 熱電子發(fā)射模式：熱電子發(fā)射模式： 適于輕摻雜、薄阻擋適于輕摻雜、薄阻擋 層層(l(ln n X XD D) ) 隧道效應隧道效應：（：（引起引起 勢壘高度降低）勢壘高度降低） 鏡像力效應鏡像力效應：（勢：（勢 壘頂向內移動，使壘頂向內移動，使 勢壘降低）勢壘降低） 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.1 金屬半導體肖特基接觸金屬半導體肖特基接觸 5

5、.1.3 肖特基二極管肖特基二極管 1) 相同之處：都具有單向導電性（整流特性）相同之處：都具有單向導電性（整流特性） 2) 不同之處：不同之處：pnpn結：少子器件；擴散電流；有電荷存結：少子器件；擴散電流；有電荷存 貯效應；高頻性能差；貯效應；高頻性能差；J JS S小于小于J JSD SD(J (JST ST) )；導通電壓高。 ；導通電壓高。 SchottySchotty勢壘：多子器件；漂移電流；無電荷存貯效應；勢壘：多子器件；漂移電流；無電荷存貯效應； 高頻性能好；高頻性能好；J JSD SD(J (JST ST) ) 遠大于遠大于J JS S；導通電壓低。；導通電壓低。 3) 應用

6、：應用：高速高速TTLTTL金屬金屬- -半導體雪崩二極管半導體雪崩二極管肖特基柵肖特基柵 場效應晶體管場效應晶體管 與與pn結二極管相比結二極管相比 2) 如何實現(xiàn)如何實現(xiàn) 1) 定義：定義： 5.1.4 歐姆接觸歐姆接觸 化合物半導體器件化合物半導體器件 金屬半導體肖特基接觸金屬半導體肖特基接觸 MESFET HEMT 第五章第五章 金屬半導體場效應晶體管金屬半導體場效應晶體管 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.2 MESFET 5.2.1器件結構器件結構 1) 3個金個金-半接觸半接觸 2) 器件結構參數(shù)器件結構參數(shù) L L gs L gd L 源極 漏極 Z a 型n 襯底 半導體

7、絕緣 柵極 L L gs L gd L 源極 漏極 Z a 型n 襯底 半導體絕緣 柵極 的透視圖MESFET)( a 漏極 源極 柵極 a W L D V 0 G V 漏極 源極 柵極 a W L D V 0 G V 柵極區(qū)域的截面圖MESFET)( b 圖6. 10 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.2 MESFET 5.2.2 工作原理工作原理 1) 偏置電壓偏置電壓 2) 溝道電阻溝道電阻 3) 輸出特性：輸出特性：V VGS GS=0,V =0,VDS DS0; 0; 以耗盡型以耗盡型n溝溝MESFET為例為例 溝道未夾斷前：線性區(qū)溝道未夾斷前：線性區(qū) 化合物半導體器件化合物半導

8、體器件 5.2 MESFET 溝道剛被夾斷：飽和電壓溝道剛被夾斷：飽和電壓VDsat 溝道夾斷后：飽和區(qū)溝道夾斷后：飽和區(qū) 3) 輸出特性：輸出特性：V VGS GS=0,V =0,VDS DS0; 0; 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.2 MESFET 3) 輸出特性：輸出特性：V VGS GS=-1,V =-1,VDS DS0; 0; 4) 轉移特性：轉移特性：VDS一定時，一定時，ID隨隨VGS的變化規(guī)律的變化規(guī)律-跨導跨導gm 5) 增強型增強型MESFET:未加柵壓（未加柵壓（VGS=0）時，溝道就已夾斷）時，溝道就已夾斷 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.2 MESFET

9、 5.2.3 電流電流-電壓特性電壓特性 G V D V D I 1 W 2 W 型n 源極 a 漏極 寬度 y )(yW G V D V D I 1 W 2 W 型n 源極 a 漏極 寬度 y )(yW 源極漏極 y dyy dy )(yV D V y L0 源極漏極 y dyy dy )(yV D V y L0 溝道區(qū)的放大圖)(a 化沿著溝道的漏極電壓變)(b 圖 6. 12 dx 肖克萊緩變溝道近似模型肖克萊緩變溝道近似模型 dy兩端的電壓降兩端的電壓降 耗盡層寬度耗盡層寬度 1) 直流直流I-V特性特性 電流電流-電壓關系式電壓關系式 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.2 MES

10、FET 5.2.3 電流電流-電壓特性電壓特性 溝道電導溝道電導 2 2）直流參數(shù)）直流參數(shù) 飽和電流飽和電流 夾斷電壓夾斷電壓 飽和電壓飽和電壓 最大飽和漏極電流最大飽和漏極電流 最小溝道電阻最小溝道電阻 n D V 半絕緣襯底 S V G V n D V 半絕緣襯底 S V G VGV n D V 半絕緣襯底 G V S V n D V 半絕緣襯底 G VGV S VSV 0 D I D V V0 . 0 G V V1 . 0 G V V2 . 0 G V V3 . 0 G V V4 . 0 G V0 D I D V V0 . 0 G V V1 . 0 G V V2 . 0 G V V3

11、. 0 G V V4 . 0 G V0 D I D V V4 . 0 G V V3 . 0 G V V2 . 0 G V V1 . 0 G V 0 D I D V V4 . 0 G V V3 . 0 G V V2 . 0 G V V1 . 0 G V 0 T V G V D I 0 T V G V D I D I 0 G V D I 0 G V MESFET)(耗盡型aMESFET)(增強型b 圖 6. 14 IV特性的比較 3 3）交流參數(shù)）交流參數(shù) 跨導跨導漏導漏導 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.2 MESFET 5.2.4 負阻效應負阻效應 電子從電子從能谷躍遷到能谷躍遷到L L

12、能谷，能谷，n n下降。下降。 GaAs、InP和和Si材料中載流子的速場關系材料中載流子的速場關系 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.2 MESFET 5.2.5 高頻特性高頻特性 高頻小信號分析的方法高頻小信號分析的方法 實驗分析：測實驗分析：測S參數(shù)參數(shù) 解析模型：從載流子輸運機理出發(fā)，在器件工藝和結構解析模型：從載流子輸運機理出發(fā)，在器件工藝和結構 基礎上，進行合理的數(shù)學描述?；A上，進行合理的數(shù)學描述。 數(shù)值模型：采用有限元或有限迭代方法，求解泊松方程數(shù)值模型：采用有限元或有限迭代方法，求解泊松方程 和電流連續(xù)性方程和電流連續(xù)性方程 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.2 ME

13、SFET 5.2.5 高頻特性高頻特性 等效電路：電路的端特性與器件的外部特性是等效的等效電路：電路的端特性與器件的外部特性是等效的 特征頻率特征頻率f fT T：=1=1時的工作頻率時的工作頻率 最高振蕩頻率最高振蕩頻率f fmax max：共源功率增益為 ：共源功率增益為1 1時的頻率時的頻率 影響頻率特性的因素影響頻率特性的因素 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.2 MESFET 5.2.6 MESFET器件結構舉例器件結構舉例 結構演變結構演變 最初形式：有源層直接在半絕緣（最初形式：有源層直接在半絕緣（SISI）襯底上）襯底上 器件特性：噪聲特性差器件特性：噪聲特性差 原因：襯底

14、上缺陷的影響原因：襯底上缺陷的影響 演變演變：在襯底與有源層間加一不摻雜的緩沖層：在襯底與有源層間加一不摻雜的緩沖層 目的：減小襯底缺陷的影響目的：減小襯底缺陷的影響 器件性能：噪聲及增益較器件性能：噪聲及增益較有所改善有所改善 演變演變：在源、漏金屬電極與有源層間插入一：在源、漏金屬電極與有源層間插入一n n+ +層層 目的：減小串聯(lián)電阻目的：減小串聯(lián)電阻R RS S、R RD D 演變演變：凹槽結構：凹槽結構 作用：降低漏端的電場作用：降低漏端的電場 目的：提供目的：提供BVBVDS DS，增加 ，增加p p0 0 大部分的大部分的MESFET是用是用n型型-化合物半導體制成：化合物半導體

15、制成： 具有高的具有高的n n和較高的飽和速度，故和較高的飽和速度，故f fT T很高。很高。 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.2 MESFET 5.2.6 MESFET器件結構舉例器件結構舉例 2)柵結構柵結構 半絕緣柵：在柵電極與有源層間加一半絕緣柵：在柵電極與有源層間加一SISI區(qū)區(qū) 作用：減小電容作用：減小電容C Cg g, ,減低柵極反向漏電；提供減低柵極反向漏電；提供BVBVGS GS, ,改 改 善微波特性。善微波特性。 柵緩沖層：在柵電極與有源層間加一緩沖層柵緩沖層：在柵電極與有源層間加一緩沖層 作用：與作用：與相同相同 埋（層）柵：埋（層）柵： 作用：與凹型槽柵相似作用

16、：與凹型槽柵相似 自對準柵：自對準柵： 作用：減少表面能級的影響作用：減少表面能級的影響 雙柵：雙柵：G G1 1是信號柵，是信號柵，G G2 2是控制柵是控制柵 優(yōu)點（與單柵比）：兩個柵極可分別控制；漏端一優(yōu)點（與單柵比）：兩個柵極可分別控制；漏端一 側的側的G G2 2可減小器件內部反饋，從而提高增益，增加可減小器件內部反饋，從而提高增益，增加 穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.2 MESFET 5.2.6 MESFET器件結構舉例器件結構舉例 3) 異質結異質結MESFET 雙異質結雙異質結MESFETMESFET G G極：金屬極：金屬AlAl； 層：層：Al0.

17、48In0.52AsAl0.48In0.52As，60nm60nm； 層：層：Ga0.47In0.53AsGa0.47In0.53As，145nm145nm；（有源層或溝道層）；（有源層或溝道層） 層：層：Al0.48In0.52AsAl0.48In0.52As，100nm100nm； 襯底：襯底：(100)InP(100)InP。 優(yōu)點：優(yōu)點：GaInAsGaInAs比比GaAsGaAs具有更高的低場具有更高的低場n n和和v vp p，從而使器件，從而使器件 具有較高的具有較高的g gm m和工作速度；和工作速度； AlInAs AlInAs與與InPInP襯底晶格匹配好，可降低界面陷阱。

18、襯底晶格匹配好，可降低界面陷阱。 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.2 MESFET 5.2.6 MESFET器件結構舉例器件結構舉例 3) 異質結異質結MESFET 具有界面反型的異質結具有界面反型的異質結MESFETMESFET a.a.窄禁帶材料窄禁帶材料-GaAs:-GaAs:做在做在SISI襯底上；襯底上； b.Schottyb.Schotty結：做在寬禁帶的結：做在寬禁帶的n n+ +AlxGa1-xAsAlxGa1-xAs上；上； c.c.反型層的形成：在異質結界面處的反型層的形成：在異質結界面處的p-GaAsp-GaAs表面（通過調表面（通過調 節(jié)節(jié)x x、N NA A、N

19、 ND D） d.d.器件特性：有較高的器件特性：有較高的g gm m和工作速度和工作速度 4 4）GaAsGaAs材料的優(yōu)點（與材料的優(yōu)點（與SiSi相比）相比） n n約高約高5 5倍；倍； v vp p( (峰值速度）是峰值速度）是SiSi飽和速度的飽和速度的2 2倍；倍； 半絕緣襯底：漏電?。话虢^緣襯底：漏電??； 良好的歐姆接觸。良好的歐姆接觸。 化合物半導體器件化合物半導體器件 金屬半導體肖特基接觸金屬半導體肖特基接觸 MESFET HEMT 第五章第五章 金屬半導體場效應晶體管金屬半導體場效應晶體管 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.3 HEMT HEMT:high elect

20、ron mobility (field effect) transistor 2-DEGFET/TEGFET(two-dimensional electron gas field effect transistor) MODFET:modulation-doped field effect transistor Why HEMT? 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.3 HEMT 5.3.1 基本結構基本結構-調制摻雜結構調制摻雜結構 1) 襯底襯底 2) 緩沖層緩沖層 3) 高阻摻雜層高阻摻雜層 4) 臺面腐蝕臺面腐蝕 5) 淀積金屬淀積金屬 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.3 HE

21、MT 5.3.2 器件工作原理器件工作原理 1) n+AlxGa1-xAs 2) i-GaAs 3) 源、漏兩端加電壓源、漏兩端加電壓 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.3 HEMT 5.3.3 器件的結構參數(shù)設計器件的結構參數(shù)設計 n+AlxGa1-xAs層層 i-GaAs層層 i-AlxGa1-xAs層層 n+ -GaAs層層 以耗盡型為例以耗盡型為例 5.3.4 改進的改進的HEMT結構結構 緩變組分緩變組分n+AlxGa1-xAs層層 超晶格有源層超晶格有源層 超晶格緩沖層超晶格緩沖層 5.3.5 提高提高2DEG濃度的途徑濃度的途徑 多溝道多溝道HEMT EEC C盡可能大的異質

22、結盡可能大的異質結 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.3 HEMT 1）能帶圖）能帶圖 2）閾值電壓）閾值電壓VT 3）2DEG的濃度的濃度nS 5.3.6 HEMT的基本特性的基本特性 不同偏壓下的導帶結構（不同偏壓下的導帶結構（a）VG=0，（，（b）VG=VT（c）VGVT 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.3 HEMT 5.3.7 電流電壓特性電流電壓特性 1）漏極電流）漏極電流ID 2）ID-VDS關系曲線（伏安特性）關系曲線（伏安特性） 化合物半導體器件化合物半導體器件 5.3 HEMT 5.3.8 贗高電子遷移率晶體管贗高電子遷移率晶體管-PHEMT 1）PHEMT的器件結構的器件結構 2）PHMET的工作原理的工作原理 3）PHMET的特點的特點 PHEMT能帶圖能帶圖PHEMT結構圖結構圖 贗：贗：Pseudomorphic，