微電子器件(5-1)[1]

1、由兩種不同材料所構成的結就是異質結。如果這兩種材料都是由兩種不同材料所構成的結就是異質結。如果這兩種材料都是半導體，則稱為半導體異質結；如果這兩種材料是金屬和半導半導體，則稱為半導體異質結；如果這兩種材料是金屬和半導體，則稱為金屬體，則稱為金屬-半導體接觸，這包括半導體接觸，這包括Schottky結和歐姆接觸。結和歐姆接觸。 材料材料1材料材料2半導體異質結可根據(jù)界面情況分成三種半導體異質結可根據(jù)界面情況分成三種 晶格匹配突變異質結晶格匹配突變異質結；當兩種半導體的晶格常數(shù)近似；當兩種半導體的晶格常數(shù)近似相等時，即可認為構成了第一種異質結，這里所產(chǎn)生相等時，即可認為構成了第一種異質結，這里所產(chǎn)

2、生的界面能級很少，可以忽略不計。的界面能級很少，可以忽略不計。晶格不匹配異質結晶格不匹配異質結；當晶格常數(shù)不等的兩種半導體構；當晶格常數(shù)不等的兩種半導體構成異質結時，可以認為在晶格失配所產(chǎn)生的附加能級成異質結時，可以認為在晶格失配所產(chǎn)生的附加能級均集中在界面上，而形成所謂界面態(tài)，這就是第二種均集中在界面上，而形成所謂界面態(tài)，這就是第二種異質結。異質結。合金界面異質結合金界面異質結。第三種異質結的界面認為是具有一。第三種異質結的界面認為是具有一點寬度的合金層，則界面的禁帶寬度將緩慢變化，這點寬度的合金層，則界面的禁帶寬度將緩慢變化，這時界面能級的影響也可以忽略。時界面能級的影響也可以忽略。 5.

3、1.1 半導體異質結的能帶突變半導體異質結的能帶突變 異質結的兩邊是不同的半導體材料，則禁帶寬度不同，異質結的兩邊是不同的半導體材料，則禁帶寬度不同，從而在異質結處就存在有導帶的突變量從而在異質結處就存在有導帶的突變量EC和價帶的和價帶的突變量突變量EV。 不考慮界面處的能帶彎曲作用時的幾種典型的能帶突不考慮界面處的能帶彎曲作用時的幾種典型的能帶突變形式變形式 兩種材料禁帶交叉的情況兩種材料禁帶交叉的情況Ec=EC1-EC20Ev=EV2-EV10, EG=EG1-EG2=EC+EV；兩種材料禁帶錯開的情況兩種材料禁帶錯開的情況EC0EV0EG=EG1-EG2=EC+EV； 禁帶沒有交接部分的

4、情況禁帶沒有交接部分的情況EC0EV0EG=EG1-EG2=EC+EV。 能帶突變的應用例子：能帶突變的應用例子：（a）產(chǎn)生熱電子）產(chǎn)生熱電子（b）使電子發(fā)生反射的勢壘）使電子發(fā)生反射的勢壘（c）提供一定厚度和高度的勢壘）提供一定厚度和高度的勢壘（d）造成一點深度和寬度的勢阱。）造成一點深度和寬度的勢阱。(a)(b)(c)(d)不考慮界面態(tài)時，不考慮界面態(tài)時，突變反型異質結能帶圖突變反型異質結能帶圖。 突變異質結是指從一種半導體材料向另一種半導體材料突變異質結是指從一種半導體材料向另一種半導體材料的過渡只發(fā)生在幾個原子距離范圍內的半導體異質結的過渡只發(fā)生在幾個原子距離范圍內的半導體異質結。 在

5、未形成異質結前，在未形成異質結前，p型半型半導體費米能級與導體費米能級與n型半導體型半導體費米能級不在同一水平費米能級不在同一水平當緊密接觸形成異質結時，當緊密接觸形成異質結時，電子將從電子將從n型半導體流向型半導體流向p型半導體，同時空穴在于型半導體，同時空穴在于電子相反的方向流動，直電子相反的方向流動，直至兩塊半導體的費米能級至兩塊半導體的費米能級處于同一能級，形成異質處于同一能級，形成異質結。結。 兩塊半導體材料交界處兩塊半導體材料交界處形成空間電荷區(qū)（即勢形成空間電荷區(qū)（即勢壘區(qū)或耗盡層），壘區(qū)或耗盡層），n型型半導體為正空間電荷區(qū)，半導體為正空間電荷區(qū)，p型半導體一邊為負空型半導體一

6、邊為負空間電荷區(qū)，因不考慮界間電荷區(qū)，因不考慮界面態(tài)，勢壘區(qū)中正空間面態(tài)，勢壘區(qū)中正空間電荷數(shù)等于負空間電荷電荷數(shù)等于負空間電荷數(shù)。數(shù)。 能帶發(fā)生了彎曲。能帶發(fā)生了彎曲。n型半導體的導帶底和價帶頂?shù)膹澢啃桶雽w的導帶底和價帶頂?shù)膹澢繛闉閝VD2，而導帶底在交界面處形成一向上的，而導帶底在交界面處形成一向上的“尖峰尖峰”。P型半導體的導帶底和價帶頂?shù)膹澢繛樾桶雽w的導帶底和價帶頂?shù)膹澢繛閝VD1，而導帶底在，而導帶底在交界面處形成一向下的交界面處形成一向下的“凹口凹口”；能帶在交界面處不連續(xù)，；能帶在交界面處不連續(xù)，有一個突變。有一個突變。 兩種半導體的導帶底在交界面處的突變量為兩種半導

7、體的導帶底在交界面處的突變量為 21cE價帶頂?shù)耐蛔兞繛閮r帶頂?shù)耐蛔兞繛?cgEEEEE)()(211gg2v由此有由此有1g2gvcEEEEEg兩種半導體形成異質結后，其內建電勢為：兩種半導體形成異質結后，其內建電勢為： 211cgbiEEV運用同質結一樣的耗盡層近似，可以得出內建運用同質結一樣的耗盡層近似，可以得出內建電勢在電勢在P型區(qū)和型區(qū)和N型區(qū)中的分量：型區(qū)中的分量： biADDbiVNNNV1221biADAbiVNNNV1212在反向偏壓或小正向偏壓（在反向偏壓或小正向偏壓（VVbi）情形，）情形，P型區(qū)和型區(qū)和N型區(qū)中型區(qū)中的耗盡層寬度公司與同質結相同，分別是的耗盡層寬度公司與

8、同質結相同，分別是 2112211-2ADDbiANNqNVVNx2112211-2ADDbiANNqNVVNx2112212-2ADAbiDNNqNVVNx耗盡層電容耗盡層電容 211221-2VVNNNNCbiADADT對突變同型異質結的能帶圖分析，下左圖為對突變同型異質結的能帶圖分析，下左圖為n型的兩種不型的兩種不同半導體材料形成異質結之前的平衡能帶圖，右圖為形同半導體材料形成異質結之前的平衡能帶圖，右圖為形成異質結之后的平衡能帶圖。當兩種半導體材料緊密接成異質結之后的平衡能帶圖。當兩種半導體材料緊密接觸形成異質結時，由于禁帶寬度大的觸形成異質結時，由于禁帶寬度大的n型半導體的費米能型半

9、導體的費米能級比禁帶寬度小的高，所以電子將從前者向后者流動，級比禁帶寬度小的高，所以電子將從前者向后者流動，在禁帶寬度小的在禁帶寬度小的n型半導體一邊形成電子積累層，另一邊型半導體一邊形成電子積累層，另一邊形成耗盡層。形成耗盡層。 同理，可得同理，可得突變同型異質結的能帶圖突變同型異質結的能帶圖 5.1.2 半導體異質結伏安特性半導體異質結伏安特性PN同質結的正向電流均以擴散電流為主，同質結的正向電流均以擴散電流為主，伏安特性表達式為：伏安特性表達式為： 1exp0kTqVII在在P-N異質結中既有電子勢壘又有電子勢阱，但當勢壘高度異質結中既有電子勢壘又有電子勢阱，但當勢壘高度和勢阱深度不相同

10、時，異質結的導電機制也有所不同，所和勢阱深度不相同時，異質結的導電機制也有所不同，所以把這種異質結分為負反向勢壘和正反向勢壘。以把這種異質結分為負反向勢壘和正反向勢壘。不同能帶形式不同能帶形式不同的傳輸機理不同的傳輸機理不同伏安特性不同伏安特性-qVn+qVnqVDpEF+qVBEF負反向勢壘負反向勢壘P-N異質結異質結低低勢壘尖峰異質結，是勢壘尖峰勢壘尖峰異質結，是勢壘尖峰頂?shù)陀陧數(shù)陀赑區(qū)導帶底的異質結。區(qū)導帶底的異質結。N區(qū)擴散向結處的電子流通過區(qū)擴散向結處的電子流通過發(fā)射機制越過尖峰勢壘進入發(fā)射機制越過尖峰勢壘進入P區(qū)，此類異質結的電子流主要區(qū)，此類異質結的電子流主要由擴散機制決定。由擴

11、散機制決定。 正反向勢壘正反向勢壘PN異質結異質結高高勢壘尖峰異質結，是勢壘尖峰勢壘尖峰異質結，是勢壘尖峰頂高于頂高于P區(qū)導帶底的異質結。區(qū)導帶底的異質結。N區(qū)擴散向結處的電子中高于區(qū)擴散向結處的電子中高于勢壘尖峰的部分電子通過發(fā)射勢壘尖峰的部分電子通過發(fā)射機制進入機制進入P區(qū)，此類異質結電區(qū)，此類異質結電流主要由電子發(fā)射機制決定。流主要由電子發(fā)射機制決定。從從N型區(qū)導帶底到型區(qū)導帶底到P型區(qū)導型區(qū)導帶底的勢壘高度是帶底的勢壘高度是 CDCDDEqVEqVqV21P型半導體中的少數(shù)載流子濃度型半導體中的少數(shù)載流子濃度n10與與N型半導型半導體中的多子濃度體中的多子濃度n20的關系是的關系是 T

12、kEqVnnCD02010expn1（-x1）與與n20的關系為的關系為 TkqVnTkEVVqnxnCD01002011expexp21cE21cE21cE21cE21cE在穩(wěn)定情況下，在穩(wěn)定情況下，P型區(qū)半導體中注入的少子的運動連續(xù)性方型區(qū)半導體中注入的少子的運動連續(xù)性方程是程是 011012121nnnxndxxndD其通解是其通解是 11101expexpnnLxBLxAnxn應用邊界條件應用邊界條件 11010101exp1expnLxxTkqVnnxn從而求得電子的擴散電流密度從而求得電子的擴散電流密度 1exp0110110111TkqVLnqDdxnxndqDJnnxxnn1e

13、xp020221011TkqVpLDnLDqJJJppnnpn 1exp220220222TkqVLpqDdxpxpdqDJoppxxpP外加電壓外加電壓V時，通過異質時，通過異質PN結的總電流密度是結的總電流密度是 TkEJCn0expTkEVp0expJTkEVp0expJ能帶圖的不連續(xù)有助于從較大的禁帶材料注入多數(shù)載流能帶圖的不連續(xù)有助于從較大的禁帶材料注入多數(shù)載流子而不論其摻雜密度如何。這也是異質結雙極晶體管的子而不論其摻雜密度如何。這也是異質結雙極晶體管的基礎。基礎。 如果如果n20和和p10在同一個數(shù)量級上，則可得在同一個數(shù)量級上，則可得5.2 高電子遷移率晶體管高電子遷移率晶體管

14、(HEMT) Modulation Doped Field Effect Transistor, MODFET Two Dimensional Electron Gas Field Effect Transistor, 2DEGFET High Electron Molibity Transistor, HEMT1、在、在GaAs襯底上采用襯底上采用MBE（分子束外延）等技術連續(xù)（分子束外延）等技術連續(xù)生長出高純度的生長出高純度的GaAs層和層和n型型AlGaAs層；層；2、然后進行臺面腐蝕以隔離有源區(qū)；、然后進行臺面腐蝕以隔離有源區(qū)；5.2.1 HEMT的基本結構的基本結構制作步驟：制作步驟

15、：接著制作接著制作AuGe/Au的源、漏歐姆接觸的源、漏歐姆接觸電極，并通過反應電極，并通過反應等離子選擇腐蝕去等離子選擇腐蝕去除柵極區(qū)上面的除柵極區(qū)上面的n型型GaAs層；層；最后在最后在n型型AlGaAs 表面積淀表面積淀Ti/Pt/Au柵柵電極。電極。3、4、一般該隔離層厚度取為一般該隔離層厚度取為710nm。既能保證高的。既能保證高的2-DEG的的面密度，又可降低雜質中心的面密度，又可降低雜質中心的Coulomb散射散射為了完全隔開雜質中心為了完全隔開雜質中心和和2-DEG，往往在，往往在N型型AlGaAs層與未摻雜層與未摻雜GaAs層之間放一層未摻層之間放一層未摻雜的雜的AlGaAs

16、隔離層，這隔離層，這樣可以在很大程度上提樣可以在很大程度上提高高2-DEG的遷移率的遷移率 5.2.2 HEMT的工作原理的工作原理HEMT是通過柵極下面的肖特基勢壘來控制是通過柵極下面的肖特基勢壘來控制GaAs/AlGaAs異質結的異質結的2-DEG的濃度而實現(xiàn)控制電流的。的濃度而實現(xiàn)控制電流的。由于肖特基勢壘的作用和電子向未摻雜的由于肖特基勢壘的作用和電子向未摻雜的GaAs層轉移，柵極層轉移，柵極下面的下面的N型型AlGaAs層將被完全耗盡。層將被完全耗盡。2-DEGE2E1 CEN-AlxGa1-xAsI-GaAs轉移到未摻雜轉移到未摻雜GaAs層中的層中的電子在異質結的三角形勢阱電子在

17、異質結的三角形勢阱中即該層表面約中即該層表面約10nm范圍范圍內形成內形成2-DEG；這些；這些2-DEG與處在與處在AlGaAs層中的雜質層中的雜質中心在空間上是分離的，不中心在空間上是分離的，不受電離雜質散射的影響，所受電離雜質散射的影響，所以遷移率較高。以遷移率較高。柵電壓可以控制三角型勢阱的深度和寬度，從而可以改變柵電壓可以控制三角型勢阱的深度和寬度，從而可以改變2-DEG的濃度，以達到控制的濃度，以達到控制HEMT電流的目的。屬于耗盡電流的目的。屬于耗盡型工作模式。型工作模式。減薄減薄N型型AlGaAs層的厚度，或減小該層的濃度，那么在層的厚度，或減小該層的濃度，那么在Schottk

18、y勢壘的作用下，三角型勢阱中的電子將被全部勢壘的作用下，三角型勢阱中的電子將被全部吸干，在柵電壓為零時尚不足以在未摻雜的吸干，在柵電壓為零時尚不足以在未摻雜的AlGaAs層層中形成中形成2-DEG，只有當柵電壓為正時才能形成，只有當柵電壓為正時才能形成2-DEG，則這時的則這時的HEMT屬于增強型工作模式。屬于增強型工作模式。N型型AlxGa1-xAs層的厚度越小，可降低串聯(lián)電阻，但太層的厚度越小，可降低串聯(lián)電阻，但太小會產(chǎn)生寄生溝道，通常取小會產(chǎn)生寄生溝道，通常取3560nm。 N型型AlxGa1-xAs層的組分層的組分x越大，禁帶寬度越大，導帶突越大，禁帶寬度越大，導帶突變增大，可增大變增

19、大，可增大2-DEG濃度，但組分濃度，但組分x太大時，晶體的缺太大時，晶體的缺陷增加陷增加 ，一般取，一般取x=0.3。 如果如果AlGaAs/GaAs異質結中存在緩變層，緩變層厚度異質結中存在緩變層，緩變層厚度WGR的的增大將使增大將使2-DEG的勢阱增寬，使勢阱中電子的子能帶降低，的勢阱增寬，使勢阱中電子的子能帶降低，從而確定的從而確定的Fermi能級下，能級下，2-DEG的濃度增大；但是，的濃度增大；但是，WGR的增大，使異質結的高度降低，又將使的增大，使異質結的高度降低，又將使2-DEG的濃度減小。的濃度減小。WGRGaAsE2E1EFN-AlGaAs存在一個最佳的緩變層厚度，使存在一

20、個最佳的緩變層厚度，使2-DEG的濃度最大。對于不的濃度最大。對于不存在隔離層存在隔離層N-Al0.37Ga0.63As/GaAs異質結，計算給出異質結，計算給出2-DEG的濃度的濃度ns與與AlGaAs中摻雜濃度中摻雜濃度ND和緩變層厚度和緩變層厚度WGR的關系的關系如下所示。如下所示。5.2.3 異質結界面的二維電子氣異質結界面的二維電子氣在摻雜在摻雜GaAlAs和未摻雜的和未摻雜的GaAs層組成的異質結上，將在層組成的異質結上，將在界面形成導帶勢阱和二維電子氣。界面形成導帶勢阱和二維電子氣。 在垂直于界面方向，電子運動是量子化的，在垂直于界面方向，電子運動是量子化的，基于有效質量近似，二

21、維電子氣中電子的運動可由波包基于有效質量近似，二維電子氣中電子的運動可由波包函數(shù)描述函數(shù)描述 rq eizzyxFexp,i表示第表示第i個子帶，則波函數(shù)滿足薛定諤方程：個子帶，則波函數(shù)滿足薛定諤方程： 02222iiizVEdzdmh勢能可由如下的泊松方程求解勢能可由如下的泊松方程求解 zqdzVd22空間電荷密度由界面電子濃度和空間電荷密度由界面電子濃度和GaAs摻雜決定摻雜決定 znqNNqziiiAD2011kTEEqmkTniFiexp1ln2hGaAs中的電子可以近似看作處在一個三角形勢阱中，因為表面中的電子可以近似看作處在一個三角形勢阱中，因為表面電場電場Fs近似是恒定的，在近似

22、是恒定的，在z0一邊耗一邊耗盡層電荷形成一個線性電勢分布：盡層電荷形成一個線性電勢分布： zqFVs求解得出其薛定諤方程特征函數(shù)是求解得出其薛定諤方程特征函數(shù)是Airy 函數(shù)，也可以求出表函數(shù)，也可以求出表面載流子濃度與費米能級的函數(shù)關系，相應的子帶能級為面載流子濃度與費米能級的函數(shù)關系，相應的子帶能級為 3231224332iqFmEsih由高斯定律，表面電場由高斯定律，表面電場Fs與表面載流子密度與表面載流子密度ns之間存在以下關之間存在以下關系系 1BssQqnF可以簡化為可以簡化為 ssqnF 在大多數(shù)實際情況下，僅考慮最低兩個能級在大多數(shù)實際情況下，僅考慮最低兩個能級 10exp1l

23、niiFskTEEqqDkTn二維電子氣態(tài)密度二維電子氣態(tài)密度D可以通過實驗測得可以通過實驗測得 12171024. 3VmD突變異質結構不同隔離層厚度突變異質結構不同隔離層厚度di 情況下二維電子情況下二維電子氣密度與氣密度與GaAlAs摻雜濃度的關系摻雜濃度的關系 緩變異質結構在不同未摻雜緩變異質結構在不同未摻雜GaAlAs隔離層厚度隔離層厚度di 情況下情況下二維電子氣密度與二維電子氣密度與GaAlAs摻雜濃度的關系摻雜濃度的關系（實線對應于（實線對應于WGR=3nm,虛線對應于虛線對應于WGR=0nm） 5.2.4 HEMT的直流特性的直流特性通過分離電子和電離了的施主通過分離電子和電

24、離了的施主雜質，可以使雜質散射效應降雜質，可以使雜質散射效應降低，提高遷移率。增加一個未低，提高遷移率。增加一個未摻雜的摻雜的AlGaAs的薄層隔層可的薄層隔層可以進一步加大電子和電離雜質以進一步加大電子和電離雜質的分離。的分離。 HEMT的能帶結構的能帶結構 勢阱中的勢阱中的2-DEG密度受限于柵極電壓。當在柵極加足夠大密度受限于柵極電壓。當在柵極加足夠大的負電壓時，肖特基柵極中的電場使勢阱中的二維電子氣的負電壓時，肖特基柵極中的電場使勢阱中的二維電子氣層耗盡。層耗盡。金屬金屬-AlGaAs-GaAs結構在零偏及反偏的能帶圖。結構在零偏及反偏的能帶圖。零偏時，零偏時，GaAs的導帶邊緣低的導

25、帶邊緣低于費米能級，這表明二維電子于費米能級，這表明二維電子氣的密度很大，相應氣的密度很大，相應FET中的中的電流幾乎很大。電流幾乎很大。 反偏時，反偏時，GaAs的導帶邊緣的導帶邊緣高于費米能級，說明二維高于費米能級，說明二維電子氣的密度很小，相應電子氣的密度很小，相應FET中的電流幾乎為零。中的電流幾乎為零。 負柵壓將降低二維電子氣的濃度，正柵壓將使二維電子氣負柵壓將降低二維電子氣的濃度，正柵壓將使二維電子氣的濃度增加。二維電子氣的濃度隨柵壓增加，直到的濃度增加。二維電子氣的濃度隨柵壓增加，直到GaAlAs的導帶與電子氣的費米能級交疊為止。如下圖：的導帶與電子氣的費米能級交疊為止。如下圖：

26、肖特基勢壘和異質結勢壘分別使肖特基勢壘和異質結勢壘分別使AlGaAs層的兩個表面耗盡。層的兩個表面耗盡。在理想情況下，設計器件時應該使這兩個耗盡區(qū)交疊，這在理想情況下，設計器件時應該使這兩個耗盡區(qū)交疊，這樣就可以避免電子通過樣就可以避免電子通過AlGaAs層導電。層導電。HEMT的電流與電壓關系的電流與電壓關系 qM 是柵極的是柵極的Schottky勢壘高度勢壘高度 平帶電壓是平帶電壓是 )/(BFCMFBqEVHEMT的平衡情況的能帶圖和平帶情況的能帶圖的平衡情況的能帶圖和平帶情況的能帶圖 ，由圖可得由圖可得閾值電壓閾值電壓 )/(BCMTqEVFTFBVV電荷控制模型可知，電荷控制模型可知

27、，2-DEG的濃度的濃度ns與柵電壓與柵電壓Vg關系是關系是 )()80(offGsVVdqn2112VG(V)0ns與與 VG基本上成正比關系?；旧铣烧汝P系。所以可知，所以可知，HEMT就是依據(jù)就是依據(jù)柵電壓控制溝道中柵電壓控制溝道中2-DEG的的濃度來工作的。濃度來工作的。 采用緩變溝道近似，則漏極電流沿溝道的分布可以表示為采用緩變溝道近似，則漏極電流沿溝道的分布可以表示為 dxxdVxQWInGnxD)()()(TGSGnVxVVCVCxQ)()(00假定電子遷移率假定電子遷移率n恒定，同過積分，則得到漏極電流：恒定，同過積分，則得到漏極電流：2021)(DSDSTGSGGnDVVV

28、VLCWIVDS較小時可以得到線性關系為較小時可以得到線性關系為 DSTGSGGnDVVVLWCI)(0VDS較大時較大時漏極電流將達到飽和漏極電流將達到飽和20)(2TGSGGnDSVVLWCI溝道較短時，還須計入電子漂移速度溝道較短時，還須計入電子漂移速度vd和電場和電場的關系。強的關系。強電場下，器件的性能被電子的飽和速度電場下，器件的性能被電子的飽和速度vdsat所限制。由此，所限制。由此，可以求出飽和電流可以求出飽和電流IDS的的表達式：表達式： 當當 VT 0時時)(2220GDGSGGnDVVLWCI當當= m時時 mDGsatGnDSVWCI0可以得出可以得出mGnDSGDsa

29、tCWuIV0/2020)(2mGnDSGSGGnDSWCuIVLWCuI下圖中，虛線是計算結果，實線是測量結果?？梢?，在強下圖中，虛線是計算結果，實線是測量結果。可見，在強電場下工作的耗盡型電場下工作的耗盡型HEMT和增強型和增強型HEMT，都呈現(xiàn)出平，都呈現(xiàn)出平方規(guī)律的飽和特性。即方規(guī)律的飽和特性。即2GSDSVI5.2.7 HEMT的頻率特性的頻率特性由于由于HEMT中通過調變摻雜方式大大降低了電離雜質散射，中通過調變摻雜方式大大降低了電離雜質散射，2-DEG所遭受的散射機構，主要是光學波聲子散射；表面所遭受的散射機構，主要是光學波聲子散射；表面粗糙度散射很小，可忽略。粗糙度散射很小，可

30、忽略。 Hall效應測量表明，效應測量表明，2-DEG的濃度的濃度ns與柵電壓與柵電壓VG成正比。成正比。此外，電子遷移率與柵電壓關系如下：此外，電子遷移率與柵電壓關系如下： kGnVk（k為為0.52.0的常數(shù)）的常數(shù)） ksnn故有故有在在HEMT工作柵壓變化范圍，遷移率變化保持在工作柵壓變化范圍，遷移率變化保持在30%之之內。故在討論器件工作特性時可假定為恒定值。內。故在討論器件工作特性時可假定為恒定值。 電子漂移速度與電場的關系電子漂移速度與電場的關系 dsatnndvv1如圖，遷移率作為電場的如圖，遷移率作為電場的函數(shù)，隨著溫度函數(shù)，隨著溫度T的升高的升高是下降的，在是下降的，在30

31、0K時幾乎時幾乎與電場無關，而在低溫、與電場無關，而在低溫、特別是在低電場時，遷移特別是在低電場時，遷移率隨電場下降得很快（由率隨電場下降得很快（由于這時遷移率很高，電子于這時遷移率很高，電子迅速被迅速被“加熱加熱”而發(fā)射出而發(fā)射出極性光學波聲子的緣故）。極性光學波聲子的緣故）。 說明說明HEMT工作于高電場工作于高電場區(qū)時，已不能體現(xiàn)區(qū)時，已不能體現(xiàn)2-DEG的優(yōu)點。的優(yōu)點。 在在GaAs/AlxGa1-xAs異質結中的異質結中的2-DEG的遷移率，不僅的遷移率，不僅與溫度與溫度T有關，還與有關，還與2-DEG濃度和組分濃度和組分x強烈相關，除強烈相關，除此之外，還與異質結中的本征此之外，還

32、與異質結中的本征AlGaAs隔離層厚度隔離層厚度d有關。有關。圖為圖為2-DEG和和3-DEG在不在不同溫度下的速場特性關系同溫度下的速場特性關系曲線曲線 高電場下，無論高溫還高電場下，無論高溫還是低溫，是低溫，2-DEG的速度的速度總是大于總是大于3-DEG。另外，。另外，電場越小，溫度對速度電場越小，溫度對速度的影響越大，因而長溝的影響越大，因而長溝道道HEMT更適合降低溫更適合降低溫度來提高性能。度來提高性能。對短溝對短溝HEMT，決定器件性能的因素往往不是低電場時，決定器件性能的因素往往不是低電場時的遷移率，而是高電場時的飽和速度的遷移率，而是高電場時的飽和速度 vdsat漏極電流飽和

33、是由于在漏端溝道內電子速度達到飽和。此漏極電流飽和是由于在漏端溝道內電子速度達到飽和。此時，漏端柵下時，漏端柵下GaAs層內將出現(xiàn)電子積累，在此區(qū)域附近層內將出現(xiàn)電子積累，在此區(qū)域附近電場將集中，漏極電壓的大部分將降落在這個很窄的范圍電場將集中，漏極電壓的大部分將降落在這個很窄的范圍內。在此狹窄范圍，速度過沖效應明顯。內。在此狹窄范圍，速度過沖效應明顯。 圖為電子速度與圖為電子速度與電場的關系電場的關系 圖為電子速度與電圖為電子速度與電場作用時間的關系場作用時間的關系 HEMT的特征頻率的特征頻率fT是使最大輸出電流與輸入電流相等，是使最大輸出電流與輸入電流相等，即最大電流增益下降到即最大電流

34、增益下降到1時的頻率。即截止頻率時的頻率。即截止頻率fT定義為定義為輸入電流輸入電流Ii等于本征晶體管理想輸出電流等于本征晶體管理想輸出電流gmVGS時的頻率。時的頻率。輸出短路時輸出短路時 gsGiVCjIgsmgsGTiVgVCfI2所以截止頻率為所以截止頻率為 gsmTCgf2/對飽和電流區(qū)和對飽和電流區(qū)和V VG GVT的工作區(qū)的工作區(qū) LCCggs0sgmvCg0（短柵）（短柵） 或者或者)(00offggmVVLuCg（長柵）（長柵） 故故fT可表示為可表示為 （短柵）（短柵） （長柵）（長柵） 22/ )(2/LVVLvfoffgnsT所以，對短柵情形，提高最高工作頻率的措施是縮

35、短溝道所以，對短柵情形，提高最高工作頻率的措施是縮短溝道長度長度L對長柵情形，提高高工作頻率的措施也包括縮短溝道長度對長柵情形，提高高工作頻率的措施也包括縮短溝道長度L，提高載流子遷移率，提高柵極電壓，減小截止電壓。提高載流子遷移率，提高柵極電壓，減小截止電壓。 HEMT的最高震蕩頻率的最高震蕩頻率fmax是指最大功率增益下降到是指最大功率增益下降到1時的時的頻率頻率 21max2TrgsidTfRRRgffggdrRC /1其中其中5.3異質結雙極晶體管異質結雙極晶體管(HBT) 5.3.1 HBT的基礎理論的基礎理論常規(guī)常規(guī)BJT難以同時兼顧高頻與放大性能，原因如下：難以同時兼顧高頻與放大

36、性能，原因如下：減減小小基極電阻、減小基極電阻、減小集電結勢壘電容、減集電結勢壘電容、減小發(fā)射結勢壘電容小發(fā)射結勢壘電容提高基區(qū)摻雜濃度提高基區(qū)摻雜濃度和增寬基區(qū)厚度和增寬基區(qū)厚度 發(fā)射結注人效率降低和載發(fā)射結注人效率降低和載流子渡越基區(qū)的時間增長流子渡越基區(qū)的時間增長 提高頻率性能提高頻率性能放大系數(shù)和頻放大系數(shù)和頻率特性下降率特性下降異質結雙極晶體管異質結雙極晶體管(Heterojunction Bipolar TransistorHBT) 異質結的中心設計原理是利用半導體材料禁帶寬度的變異質結的中心設計原理是利用半導體材料禁帶寬度的變化及其作用于電子和空穴上的電場力來控制載流子的分化及其

37、作用于電子和空穴上的電場力來控制載流子的分布和流動。因而使之具有許多同質結所沒有的優(yōu)越性。布和流動。因而使之具有許多同質結所沒有的優(yōu)越性。 HBT是由禁帶寬度較大是由禁帶寬度較大(大于基區(qū)的禁帶寬度大于基區(qū)的禁帶寬度)的半導體的半導體作為發(fā)射區(qū)的一種作為發(fā)射區(qū)的一種BJT，即采用異質發(fā)射結的雙極型晶，即采用異質發(fā)射結的雙極型晶體管。這種異質發(fā)射結注入電子的效率很高體管。這種異質發(fā)射結注入電子的效率很高(1)，因為，因為空穴的反向注入幾乎完全被額外的一個空穴勢壘阻擋，空穴的反向注入幾乎完全被額外的一個空穴勢壘阻擋，即發(fā)射結的注入效率主要由結兩邊禁帶寬度的差異所造即發(fā)射結的注入效率主要由結兩邊禁帶

38、寬度的差異所造成的一個額外的空穴勢壘成的一個額外的空穴勢壘(高度為高度為Ev)決定，而與發(fā)射決定，而與發(fā)射區(qū)和基區(qū)的摻雜濃度基本上無關。因此，區(qū)和基區(qū)的摻雜濃度基本上無關。因此，HBT可以在?？梢栽诒３州^高的發(fā)射結注入效率的前提下，容許提高基區(qū)的摻持較高的發(fā)射結注入效率的前提下，容許提高基區(qū)的摻雜濃度和降低發(fā)射區(qū)的摻雜濃度，從而使器件的基區(qū)寬雜濃度和降低發(fā)射區(qū)的摻雜濃度，從而使器件的基區(qū)寬度調制效應得以減弱度調制效應得以減弱(可得到較高的可得到較高的Early電壓電壓)、基極電、基極電阻減小、大注入效應減弱、發(fā)射結勢壘電容減小、發(fā)射阻減小、大注入效應減弱、發(fā)射結勢壘電容減小、發(fā)射區(qū)禁帶寬度變窄

39、效應消失，并可通過減薄基區(qū)寬度大大區(qū)禁帶寬度變窄效應消失，并可通過減薄基區(qū)寬度大大縮短基區(qū)渡越時間，所以能夠實現(xiàn)超高頻、超高速和低縮短基區(qū)渡越時間，所以能夠實現(xiàn)超高頻、超高速和低噪聲的性能，從而提供最大的噪聲的性能，從而提供最大的Early電壓值，有利于微電壓值，有利于微波應用。采用波應用。采用V族化合物半導體制作的族化合物半導體制作的HBT，就是，就是最早進入毫米波領域應用的一種三端有源器件。最早進入毫米波領域應用的一種三端有源器件。根據(jù)異質結界面過渡區(qū)材料組分的變化情況可以將其分根據(jù)異質結界面過渡區(qū)材料組分的變化情況可以將其分為突變異質結和緩變異質結。突變異質結的過渡區(qū)很薄，為突變異質結和

40、緩變異質結。突變異質結的過渡區(qū)很薄，通常只有數(shù)十通常只有數(shù)十或幾個或幾個，緩變異質結則有比較寬的過渡，緩變異質結則有比較寬的過渡區(qū)通常有數(shù)百區(qū)通常有數(shù)百。其寬度可通過工藝方法和工藝方條件。其寬度可通過工藝方法和工藝方條件來控制。來控制。（a）是突變）是突變發(fā)射結的情發(fā)射結的情況，其基區(qū)況，其基區(qū)均勻，無加均勻，無加速場速場 （b）是緩）是緩變發(fā)射結的變發(fā)射結的情況，基區(qū)情況，基區(qū)無加速場無加速場 （c）是緩變）是緩變發(fā)射區(qū)、緩發(fā)射區(qū)、緩變基區(qū)，有變基區(qū)，有加速場加速場 （d）是突變）是突變發(fā)射結、緩變發(fā)射結、緩變基區(qū)，存在加基區(qū)，存在加速場速場異質結雙極晶體管，其寬禁帶發(fā)射區(qū)、窄禁帶基區(qū)構異質

41、結雙極晶體管，其寬禁帶發(fā)射區(qū)、窄禁帶基區(qū)構成的發(fā)射結一定是異質結，集電結可以是異質結，也成的發(fā)射結一定是異質結，集電結可以是異質結，也可以是同質結。其基本結構及工作原理和普通同質結可以是同質結。其基本結構及工作原理和普通同質結雙極晶體管大致相同。雙極晶體管大致相同。 當雙極晶體管的發(fā)射結加上正向偏壓當雙極晶體管的發(fā)射結加上正向偏壓VEB，集電結加有反，集電結加有反向偏壓向偏壓VCB，則其共射極電流放大系數(shù)，則其共射極電流放大系數(shù)可表示如下可表示如下 rspErsnEBCIIIIIIII因因111而而 *為發(fā)射系數(shù)，為發(fā)射系數(shù)，為發(fā)射系數(shù)， * 是基區(qū)輸運系數(shù)。是基區(qū)輸運系數(shù)。 *而而 nEpE

42、II11由于由于HBT基區(qū)寬度為亞微米或更小，故可假定基區(qū)輸運基區(qū)寬度為亞微米或更小，故可假定基區(qū)輸運系數(shù)系數(shù) 為為1*1*1*1*1忽略基區(qū)體復合電流；若同時忽略勢壘復合流，則只由決忽略基區(qū)體復合電流；若同時忽略勢壘復合流，則只由決定，其最大可能值為：定，其最大可能值為： pEnEpEnEJJII11111max1exp0kTqVWnqDJEBBBBnE1exp0kTqVWpqDJEBEEEpE故有發(fā)射結的注入比故有發(fā)射結的注入比 ： BEEEBBpEnEWpDWnDJJ00BiBBNnn20EiEENnp20因為因為且且kTENNnGBVBCBiBexp2kTENNnGEVECEiEexp

43、2假定假定 VBCBVECENNNN得到得到 kTENNpnGBEEBexp00其中其中 GBGEGEEEkTEWNDWNDgBBpEEEnBexpmax因而得到因而得到對于同質結，對于同質結，EG=0，一般是通過提高發(fā)射效率，增加發(fā)，一般是通過提高發(fā)射效率，增加發(fā)射區(qū)和基區(qū)的摻雜濃度比射區(qū)和基區(qū)的摻雜濃度比NE/NB來提高電流增益為此，一般來提高電流增益為此，一般要求要求NE/NB 102。 而異質結中，只要而異質結中，只要EG 0。 max就能達到很大值，而與就能達到很大值，而與NE/NB關系不大。所以，關系不大。所以，HBT中通過采用寬帶隙發(fā)射區(qū)，打破中通過采用寬帶隙發(fā)射區(qū)，打破了普通同

44、質結雙極晶體管的局限性，克服了其增益與速度之了普通同質結雙極晶體管的局限性，克服了其增益與速度之間的固有矛盾。間的固有矛盾。 下圖是同質結雙極晶體管與下圖是同質結雙極晶體管與HBT的雜質濃度分布的比較。的雜質濃度分布的比較。為了得到高的注入效率，同質結雙極晶體管的發(fā)射區(qū)為高為了得到高的注入效率，同質結雙極晶體管的發(fā)射區(qū)為高摻雜摻雜,基區(qū)的摻雜濃度比發(fā)射區(qū)低兩個數(shù)量級。而對基區(qū)的摻雜濃度比發(fā)射區(qū)低兩個數(shù)量級。而對HBT而而言，由于能帶結構帶來的高注入比優(yōu)勢，發(fā)射區(qū)摻雜濃度言，由于能帶結構帶來的高注入比優(yōu)勢，發(fā)射區(qū)摻雜濃度低于基區(qū)摻雜濃度，使得低于基區(qū)摻雜濃度，使得 HBT 體現(xiàn)了高速高增益的特性

45、。體現(xiàn)了高速高增益的特性。 采用采用MBE或或MOCVD制作的制作的AlGaAs/GaAs HBT結構示意圖結構示意圖 5.3.2、能帶結構與、能帶結構與HBT性能的關系性能的關系對于突變發(fā)射結晶體管，發(fā)射對于突變發(fā)射結晶體管，發(fā)射區(qū)低摻雜，大部分電勢將降落區(qū)低摻雜，大部分電勢將降落在發(fā)射區(qū)上（在發(fā)射區(qū)上（qVD2），能帶圖），能帶圖上形成尖峰；小部分電勢降落上形成尖峰；小部分電勢降落在基區(qū)，形成凹口在基區(qū)，形成凹口 （qVD1）該凹口勢阱將收集注入的電子，該凹口勢阱將收集注入的電子，增加復合損失，產(chǎn)生放大系數(shù)增加復合損失，產(chǎn)生放大系數(shù)下降等不良結果?？梢酝ㄟ^下降等不良結果?？梢酝ㄟ^MBE在界

46、面生成高受主濃度在界面生成高受主濃度的薄層電荷填補該勢阱的薄層電荷填補該勢阱 而對于勢壘本身而言，其不良影響之一是使得到同樣電流，而對于勢壘本身而言，其不良影響之一是使得到同樣電流，發(fā)射極偏壓將增大，極大地降低了發(fā)射系數(shù)。因為此時，發(fā)射極偏壓將增大，極大地降低了發(fā)射系數(shù)。因為此時，發(fā)射區(qū)電子穿過發(fā)射極所越過的勢壘比緩變發(fā)射極小了，發(fā)射區(qū)電子穿過發(fā)射極所越過的勢壘比緩變發(fā)射極小了，而基區(qū)空穴穿過發(fā)射極所越過的勢壘沒有變化，相當于發(fā)而基區(qū)空穴穿過發(fā)射極所越過的勢壘沒有變化，相當于發(fā)射區(qū)與基區(qū)的帶隙寬度差射區(qū)與基區(qū)的帶隙寬度差EG減小減小EC了，約為了，約為EV 。2112DFFDDqVEEqVqV

47、對于發(fā)射結，有對于發(fā)射結，有電子要從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)，須克服的勢壘為電子要從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)，須克服的勢壘為 空穴要從基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)須克服的勢壘則為空穴要從基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)須克服的勢壘則為 21DDDqVqVqVDVqVEkTEWNDWNDEqVEqVWNDWNDJJGBBpEEEnBVDCDBBEEEBpEnEexpexpexpmaxkTEWNDWNDEqVqVqVWNDWNDJJVBBpEEEnBVDDDBBEEEBpEnEexpexpexp1max故有故有 而對于緩變發(fā)射結，電子注入要克服的勢壘為而對于緩變發(fā)射結，電子注入要克服的勢壘為21()DcDDcqVEqVqVE 而空穴所克服的

48、勢壘不變，故有而空穴所克服的勢壘不變，故有也就是說，發(fā)射結為緩變異質結的較之突變異質結的也就是說，發(fā)射結為緩變異質結的較之突變異質結的大，這是由于大，這是由于EC 、 EC共同共同 影響的結果影響的結果 對突變異質結而言，價帶斷續(xù)大的發(fā)射結則對增益有利。對突變異質結而言，價帶斷續(xù)大的發(fā)射結則對增益有利。 突變發(fā)射結的優(yōu)勢是使注入到基區(qū)的電子具有附加的動能，突變發(fā)射結的優(yōu)勢是使注入到基區(qū)的電子具有附加的動能，使其達到很高的速度（使其達到很高的速度（108cm/s），產(chǎn)生所謂），產(chǎn)生所謂速度過沖速度過沖，近似，近似于彈道輸運。具有更小的基區(qū)渡越時間和更高的截止頻率。于彈道輸運。具有更小的基區(qū)渡越時

49、間和更高的截止頻率。速度過沖：指在剛加上強電場的瞬間，半導體中載流子的速度過沖：指在剛加上強電場的瞬間，半導體中載流子的漂移速度可以大大超過飽和漂移速度的非平衡瞬態(tài)現(xiàn)象漂移速度可以大大超過飽和漂移速度的非平衡瞬態(tài)現(xiàn)象右圖為右圖為GaAs中電子中電子的速度過沖，大的速度過沖，大約經(jīng)過約經(jīng)過10-12秒，漂秒，漂移移0.5m之后，電子之后，電子速度才穩(wěn)定到相應速度才穩(wěn)定到相應電場的穩(wěn)態(tài)值。電場的穩(wěn)態(tài)值。 不同材料的小尺寸器件，由載不同材料的小尺寸器件，由載流子非平衡輸運的平均時間可流子非平衡輸運的平均時間可以估算出其有效漂移速度以估算出其有效漂移速度 采用采用Monte Carlo方法計算方法計算

50、出經(jīng)過出經(jīng)過HBT突變發(fā)射極勢突變發(fā)射極勢壘壘EB的電子在基區(qū)漂移的電子在基區(qū)漂移速度與距離的關系速度與距離的關系由于由于GaAs的上下能谷的能量差為的上下能谷的能量差為0.33eV，大的注入能，大的注入能量會使更多的電子躍遷到上能谷，而上能谷比下能谷有量會使更多的電子躍遷到上能谷，而上能谷比下能谷有效質量大很多，具有較低的速度和遷移率。效質量大很多，具有較低的速度和遷移率。因此，發(fā)射極勢壘尖峰很高，也不一定會得到高的電子因此，發(fā)射極勢壘尖峰很高，也不一定會得到高的電子漂移速度和低的基區(qū)渡越時間。漂移速度和低的基區(qū)渡越時間。 可以通過基區(qū)材料組分的緩變，實現(xiàn)帶隙的變化，從而可以通過基區(qū)材料組分

51、的緩變，實現(xiàn)帶隙的變化，從而設置基區(qū)加速場設置基區(qū)加速場 AlxGa1-xAs中中Al的組分的組分x，越高，其材料禁帶寬度越大，越高，其材料禁帶寬度越大，通過改變其中通過改變其中Al的組分，可以設置加速電場的組分，可以設置加速電場 ，降低電子，降低電子的基區(qū)渡越時間，提高頻率特性的基區(qū)渡越時間，提高頻率特性采用緩變基區(qū)能帶結構以降低基區(qū)渡越時間采用緩變基區(qū)能帶結構以降低基區(qū)渡越時間B、提高頻率、提高頻率特性之后，對整個延遲時間的貢獻最大者則是如下式的集特性之后，對整個延遲時間的貢獻最大者則是如下式的集電極空間電荷區(qū)的渡越時間電極空間電荷區(qū)的渡越時間SCR SCRSCRxvdx故應該保證載流子在

52、漂移過程中始終處于故應該保證載流子在漂移過程中始終處于能谷。圖為其不能谷。圖為其不同摻雜結構對電場分布的調節(jié)和同摻雜結構對電場分布的調節(jié)和 得出的電子速度分布得出的電子速度分布6.3.3 異質結雙極晶體管的特性異質結雙極晶體管的特性降低發(fā)射區(qū)摻雜濃度降低發(fā)射區(qū)摻雜濃度 減小發(fā)射結電容減小發(fā)射結電容 提高基區(qū)摻雜濃度提高基區(qū)摻雜濃度 降低基極電阻降低基極電阻 提高了工作頻率及功率增益提高了工作頻率及功率增益 HBT的高頻性能主要取決于總的渡越時間的高頻性能主要取決于總的渡越時間 ec和有效基極電和有效基極電阻與集電極電容所構成的時間常數(shù)阻與集電極電容所構成的時間常數(shù) eff： ecTf21cSC

53、Rcibbedeeceffbf41maxCbeffCr最高振蕩頻率為最高振蕩頻率為 相對于相同尺寸的相對于相同尺寸的Si雙極晶體管，雙極晶體管，HBT具有更高的設具有更高的設計自由度和靈活性，可以獲得更好的頻率特性計自由度和靈活性，可以獲得更好的頻率特性 LLCbLBCbSRCCRRCr325LCbbLCCrR3對于數(shù)字運用，盡管開關時間與電路與偏置密切相關，對于數(shù)字運用，盡管開關時間與電路與偏置密切相關，但可得出其關系為但可得出其關系為 經(jīng)估算，與相同工藝條件下的雙擴散硅雙極晶體管相經(jīng)估算，與相同工藝條件下的雙擴散硅雙極晶體管相比，比，HBT開關速度快了開關速度快了5至至8倍。倍。 開關時間

54、與基極電阻有一次方關系，開關時間與基極電阻有一次方關系，fmax與基極電阻與基極電阻是二分之一次方關系。因而增加基區(qū)摻雜對開關時間是二分之一次方關系。因而增加基區(qū)摻雜對開關時間的改善比對頻率特性的改善更為明顯。的改善比對頻率特性的改善更為明顯。 通過負載電阻的優(yōu)化選取，可使開關時間達到極小通過負載電阻的優(yōu)化選取，可使開關時間達到極小 ，此時此時bbLCCbSrCCCr3225除了降低基極電阻，降低集電極電容也可使開關時間降低。除了降低基極電阻，降低集電極電容也可使開關時間降低。采用下圖的反向器件結構，也就是集電極位于最上方，發(fā)采用下圖的反向器件結構，也就是集電極位于最上方，發(fā)射極置于最下方，從而縮小集電極面積，降低集電極電容射極置于最下方，從而縮小集電極面積，降低集電極電容