微電子器件microelectric phys7北極熊校園

1、MESFET及相關(guān)器件半導(dǎo)體器件物理與工藝Semiconductor Devices Physics and Technology2015,4,26本章內(nèi)容金屬-半導(dǎo)體接觸 金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MESFET: metal-semiconductor field-effect transistor)調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MODFET: modulation-doped field effect transistor) MESFET具有與MOSFET相似的電流-電壓特性。然而在器件的柵電極部分，MESFET利用金屬-半導(dǎo)體的整流接觸取代了MOSFET的MOS結(jié)構(gòu)；而在源極與漏極部分，MESFET以

2、歐姆接觸取代MOSFET中的p-n結(jié)。 MESFET MESFET與其他的場(chǎng)效應(yīng)器件一樣，在高電流時(shí)具有負(fù)的溫度系數(shù)，即隨著溫度的升高電流反而下降。因此即使是使用大尺寸的有源器件或?qū)⒃S多器件并接使用時(shí)，仍可維持熱穩(wěn)定。此外，由于MESFET可用GaAs、InP等具有高電子遷移率的化合物半導(dǎo)體制造，因此具有比硅基MOSFET高的開關(guān)速度與截止頻率。 MESFET結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)在于金半接觸，在電特性上它相當(dāng)于單邊突變的p-n結(jié)，然而在工作時(shí)，它具有多數(shù)載流子器件所享有的快速響應(yīng)。MESFET 金-半接觸可分為兩種形式：整流性與非整流的歐姆性。 右上圖即為一金屬-半接觸的結(jié)構(gòu)示意圖。 右下圖所示為一獨(dú)立

3、金屬和一獨(dú)立n型半導(dǎo)體的能帶圖。值得注意的是，一般金屬的功函數(shù)qm并不同于半導(dǎo)體的功函數(shù)qs。功函數(shù)定義為費(fèi)米能級(jí)和真空能級(jí)之差。圖中也標(biāo)示了電子親和力q，它是半導(dǎo)體導(dǎo)帶端與真空能級(jí)的能量差。 基本特性金屬-半導(dǎo)體接觸 當(dāng)金屬與半導(dǎo)體緊密接觸時(shí)，兩種不同材料的費(fèi)米能級(jí)在熱平衡時(shí)應(yīng)相同，此外，真空能級(jí)也必須是連續(xù)的。這兩項(xiàng)要求決定了理想的金半接觸獨(dú)特的能帶圖，如圖所示。 理想狀況下，勢(shì)壘高度qBn即為金屬功函數(shù)與電子親和力之差： 基本特性： 同理，對(duì)金屬與p型半導(dǎo)體的理想結(jié)而言，其勢(shì)壘高度qBp則為 其中Eg為半導(dǎo)體的禁帶寬度 金屬-半導(dǎo)體接觸 因此，對(duì)一已知半導(dǎo)體與任一金屬而言，在n型和p型襯

4、底上的勢(shì)壘高度和，恰等于半導(dǎo)體的禁帶寬度： 在圖中的半導(dǎo)體側(cè)，Vbi為電子由半導(dǎo)體導(dǎo)帶上欲進(jìn)入金屬時(shí)遇到的內(nèi)建電勢(shì)，且 其中qVn為導(dǎo)帶底與費(fèi)米能級(jí)問的距離。對(duì)p型半導(dǎo)體而言，也可獲得類似的結(jié)果。 金屬-半導(dǎo)體接觸 圖(a)所示為不同偏壓情況下金屬在n型半導(dǎo)體上的能帶圖。當(dāng)偏壓為零時(shí)，即處于熱平衡的情況下，兩種材料間具有相同的費(fèi)米能級(jí)。如果在金屬上施以相對(duì)于n型半導(dǎo)體為正的電壓時(shí)，則半導(dǎo)體到金屬的勢(shì)壘高度將變小，如圖(b)所示，由于勢(shì)壘降低了VF，使得電子變得更易由半導(dǎo)體進(jìn)入金屬 。 當(dāng)施以一反向偏壓，將使得勢(shì)壘提高了VR，如圖(c)所示。因此對(duì)電子而言，將變得更難從半導(dǎo)體進(jìn)入金屬中。 對(duì)p型

5、半導(dǎo)體而言，我們可以獲得相似的結(jié)果，不過極性相反 。 金屬-半導(dǎo)體接觸 對(duì)p型半導(dǎo)體而言，可以獲得相似的結(jié)果，不過極性相反 。 金屬-半導(dǎo)體接觸 圖(a)與(b)分別為金-半接觸的電荷與電場(chǎng)分布。假設(shè)金屬為完美導(dǎo)體，由半導(dǎo)體遷移過來的電荷將存在于其表面極狹窄的區(qū)域內(nèi)。空間電荷在半導(dǎo)體內(nèi)的延伸范圍為W，也就是說在xw處s=0。因此，其電荷分布與單邊突變的p+-n結(jié)的情況相同。 電場(chǎng)的大小隨著距離增加而線性變小，最大電場(chǎng)Em發(fā)生在界面處，因此得到電場(chǎng)分布為 金屬-半導(dǎo)體接觸 圖(b)中電場(chǎng)曲線下的面積，也就是降落在空間電荷區(qū)的電壓 耗盡區(qū)寬度W可表示為 而半導(dǎo)體內(nèi)的空間電荷密度QSC則為 其中對(duì)正

6、向偏壓，V為正VF；對(duì)反向偏壓，V為負(fù)VR。 金屬-半導(dǎo)體接觸 每單位面積的耗盡區(qū)電容C則可由上式計(jì)算得到： 即 求得。將l/C2時(shí)V作微分，重新整理可得 因此，利用測(cè)量所得單位面積電容C與電壓V的關(guān)系，可由上式得出雜質(zhì)的分布。若耗盡區(qū)的ND為定值，則1/C2對(duì)V作圖可得一直線，且1/C2=0的截距即為內(nèi)建電勢(shì)Vbi，一旦Vbi已知，則勢(shì)壘高度便可由金屬-半導(dǎo)體接觸例1：求出如圖所示鎢-硅肖特基二極管的施主濃度與勢(shì)壘高度。 解： 1/C2對(duì)V的關(guān)系為一直線，表明施主濃度在耗盡區(qū)內(nèi)為一定值，由圖得因?yàn)榻鼐酁?.42V，因此勢(shì)壘高度為 金屬-半導(dǎo)體接觸 肖特基勢(shì)壘指一具有大的勢(shì)壘高度(即Bn或Bp

7、kT)，以及摻雜濃度比導(dǎo)帶或價(jià)帶上態(tài)密度低的金屬-半導(dǎo)體接觸。 肖特基勢(shì)壘中，電流的傳導(dǎo)主要由多數(shù)載流子來完成，這與由少數(shù)載流子來進(jìn)行電流傳導(dǎo)的p-n結(jié)不同。對(duì)工作在適當(dāng)溫度(如300K)下的肖特基二極管而言，其主要傳導(dǎo)機(jī)制是半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的熱電子發(fā)射越過電勢(shì)勢(shì)壘而進(jìn)入金屬中。 肖特基勢(shì)壘 金屬-半導(dǎo)體接觸 下圖為熱電子發(fā)射的過程。在熱平衡時(shí)，電流密度由兩個(gè)大小相等、但方向相反的載流子流組成，因此凈電流為零。半導(dǎo)體中的電子傾向于流入金屬中，并有一反向的平衡電子流由金屬進(jìn)入半導(dǎo)體中，其大小與邊界的電子濃度成正比。 金屬-半導(dǎo)體接觸 在半導(dǎo)體表面的電子若是具有比勢(shì)壘高度更高的能量，便可以通過熱

8、電子發(fā)射而進(jìn)入金屬中。此處，半導(dǎo)體的功函數(shù)qs被qBn取代，且 其中NC是導(dǎo)帶中的態(tài)密度。在熱平衡時(shí)可以得到 其中Jms代表由金屬到半導(dǎo)體的電流， Jsm代表由半導(dǎo)體到金屬的電流，而C1則為比例常數(shù)。 當(dāng)正向偏壓加到結(jié)上時(shí)，跨越勢(shì)壘的靜電勢(shì)差降低，因此表面的電子濃度增加至 由電子流出半導(dǎo)體所產(chǎn)生的電流Jsm也因此以同樣的因數(shù)改變 金屬-半導(dǎo)體接觸 然而，由金屬流向半導(dǎo)體的電子流量維持不變，因?yàn)閯?shì)壘Bn維持與平衡時(shí)相同的值。正向偏壓下的凈電流為 同理，對(duì)反向偏壓的情況而言，其凈電流的表示式與上式相同，只是其中的VF被替換成-VR。 系數(shù)C1NC實(shí)際上等于A*T2A*稱為有效理查遜常數(shù)單位為A/(

9、K2cm2)，而T為絕對(duì)溫度 A*的值視有效質(zhì)量而定，對(duì)n型與p型硅而言，其值分別為110和32，而對(duì)n型與p型砷化鎵而言，其值分別為8和74。 金屬-半導(dǎo)體接觸 在熱電子發(fā)射的情形下，金屬-半導(dǎo)體接觸的電流-電壓特性可以表示為 其中Js為飽和電流密度，而外加電壓V在正向偏壓的情況下為正，反向偏壓時(shí)則為負(fù)。 右圖為兩肖持基二極管實(shí)驗(yàn)所得的I-V特性。將正向I-V曲線延伸至V=0，可以獲得Js，由上式即可求得勢(shì)壘高度。 金屬-半導(dǎo)體接觸 除了多數(shù)載流子(電子)電流外，金屬與n型半導(dǎo)體接觸也存有少數(shù)載流子(空穴)電流，它是由金屬中的空穴注入半導(dǎo)體所產(chǎn)生?？昭ǖ淖⑷肱cp+-n結(jié)的情況相同。其電流密度

10、為 在正常工作情況下，少數(shù)載流子電流大小比多數(shù)載流子電流少了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，肖特基二極管被視為單極性器件，亦即主要由一種載流子來主導(dǎo)導(dǎo)通的過程。 金屬-半導(dǎo)體接觸例2：對(duì)ND=1016cm-3的鎢-硅肖特基二極管而言，請(qǐng)由下圖求出勢(shì)壘高度與耗盡區(qū)寬度。假設(shè)硅中少數(shù)載流子的壽命為10-6s，比較飽和電流Js與 Jpo。 解： 由圖可得Js=6.510-5A/cm2，因此勢(shì)壘高度可由得到：內(nèi)建電勢(shì)為Bn-Vn，其中 因此金屬-半導(dǎo)體接觸當(dāng)V=0時(shí)，熱平衡時(shí)的耗盡區(qū)寬度為 為了計(jì)算少數(shù)載流子電流密度Jpo，須知道Dp，對(duì)濃度ND=1016cm-3而言，其值為10cm2/s，而兩電流密度間的比為 比

11、較可見，多數(shù)載流子電流是少數(shù)載流子電流的7次方倍。 因此金屬-半導(dǎo)體接觸 當(dāng)金屬-半導(dǎo)體接觸的接觸電阻相對(duì)于半導(dǎo)體主體或串聯(lián)電阻可以忽略不計(jì)時(shí)，則可被定義為歐姆接觸。良好的歐姆接觸并不會(huì)嚴(yán)重降低器件的性能，并且當(dāng)通過所需電流時(shí)所產(chǎn)生的電壓降比降落于器件有源區(qū)的電壓降還要小。 歐姆接觸的一個(gè)指標(biāo)為特定接觸電阻Rc，其定義為 對(duì)于低摻雜濃度的金屬-半導(dǎo)體接觸而言，熱電子發(fā)射電流在電流的傳導(dǎo)中占有主要的地位， 可見，為了獲得較小的RC，應(yīng)該使用具有較低勢(shì)壘高度的金屬-半導(dǎo)體接觸。 歐姆接觸 (ohmic contact)：金屬-半導(dǎo)體接觸 相反地，若結(jié)有很高的摻雜濃度，則勢(shì)壘寬度將變得很窄，且此時(shí)隧

12、穿電流成為主要的傳導(dǎo)電流。高摻雜濃度下的特定接觸電阻可表示為 其中 可見，在隧穿范圍內(nèi)特定接觸電阻與雜質(zhì)濃度強(qiáng)烈相關(guān)，并且以 為因子成指數(shù)變化。 金屬-半導(dǎo)體接觸 MESFET共具有三個(gè)金屬-半導(dǎo)體接觸，一個(gè)肖持基接觸作為柵極以及兩個(gè)當(dāng)作源極與漏極的歐姆接觸。器件結(jié)構(gòu) ： 圖(a)所示為MESFET的透視圖。主要的器件參數(shù)包含柵極長(zhǎng)度L、柵極寬度Z以及外延層厚度a。大部分的MESFET是用n型-V族化合物半導(dǎo)體制成的(如砷化鎵)，因?yàn)樗鼈兙哂休^高的電子遷移率，可以減小串聯(lián)電阻并且具有較高的飽和速度而使得截止頻率增高。 金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET) 實(shí)際制造的MESFET通常在半絕緣襯底上生

13、長(zhǎng)一外延層以減少寄生電容。通常以柵極尺寸來敘述一個(gè)MESFET。若柵極長(zhǎng)度(L)為0.5m，柵極寬度(Z)為300m，則稱之為0.5m300m的器件。 對(duì)傳統(tǒng)微波或毫米波器件而言，其柵極長(zhǎng)度通常是在0.1m-1.0m的范圍內(nèi)。傳統(tǒng)外延層厚度a則約為柵極長(zhǎng)度的1/3-1/5。而電極間距約是柵極長(zhǎng)度的l/4。電流操控能力直接正比于柵極寬度Z，因?yàn)闇系离娏鞯慕孛娣e與Z成正比。金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET) MESFET的原理結(jié)構(gòu)如下圖所示。將源極接地，柵極電壓與漏極電壓是相對(duì)源極測(cè)量而得。正常工作情形下，柵極電壓為零或是被加以反向偏壓，而漏極電壓為零或是被加以正向偏壓。也就是說VG0而VD0。對(duì)于

14、溝道為n型材料的器件稱為n溝道MESFET。在大多數(shù)的應(yīng)用中是采用n溝道MESFET而非p溝道MESFET，這是因?yàn)閚溝道器件具有較高的電子遷移率。 溝道電阻可被表示為 工作原理其中ND是施主濃度，A是電流流動(dòng)的截面積，而W是肖特基勢(shì)壘的耗盡區(qū)寬度。 金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET) 當(dāng)沒有外加?xùn)艠O電壓且VD很小時(shí)，如圖(a)所示，溝道中有很小的漏極電流流通。此電流大小為VD/R。其中R為溝道電阻。因此，電流隨漏極電壓呈線性變化。 當(dāng)然，對(duì)任意漏極電壓而言，溝道電壓是由源極端的零漸增為漏極端的VD。因此，沿著源極到漏極肖特基勢(shì)壘的反向偏壓漸強(qiáng)。當(dāng)VD增加，W也隨著增加，使得電流流動(dòng)的平均截面積

15、減小，溝道電阻R也因此增加，這使得電流以較緩慢的速率增加。 金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET) 隨著漏極電壓的持續(xù)增加，最終將使得耗盡區(qū)接觸到半絕緣襯底，如圖(b)所示，此現(xiàn)象的發(fā)生是當(dāng)漏極端有W=a。由 在此漏極電壓時(shí)，源極和漏極將會(huì)被夾斷或說是被反向偏壓的耗盡區(qū)完全分隔開。令V=-VDsat，可以求出相對(duì)應(yīng)的漏極電壓值，稱為飽和電壓VDsat： 圖中的位置P即稱為夾斷點(diǎn)，在此點(diǎn)有一個(gè)很大的漏極電流稱為飽和電流IDsat。金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET) 在夾斷點(diǎn)后，當(dāng)VD進(jìn)一步增加，則靠近漏極端的耗盡區(qū)將逐漸擴(kuò)大，而P點(diǎn)將往源極端移動(dòng)，如圖(c)所示。然而，P點(diǎn)處的電壓維持為VDsat，因此

16、，每單位時(shí)間由源極移往P點(diǎn)的電子數(shù)目以及溝道內(nèi)的電流也維持不變，這是因?yàn)樵跍系乐?，由源極到P點(diǎn)的電壓降維持不變。當(dāng)漏極電壓大于VDsat時(shí)，電流基本上維持在IDsat，且與VD無關(guān)。 金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET) 當(dāng)加入反向柵極偏壓時(shí)，耗盡區(qū)寬度W隨之增加。對(duì)較小的VD而言，溝道就像是電阻器一般，但是具有較高的阻值，這是因?yàn)闇系赖慕孛娣e減小的關(guān)系。如圖(d)所示，VG=-1V的初始電流比VG=0時(shí)的初始電流來得小。當(dāng)VD增加至某一特定值時(shí)，耗盡區(qū)將接觸到半絕緣襯底此時(shí)VD值為 對(duì)n溝道MESFET而言，柵極電壓相對(duì)于源極為負(fù)值，所以在上述各式中，使用VG的絕對(duì)值。由上式可以看出，外加的柵極

17、電壓使得開始發(fā)生夾斷時(shí)所需的漏極電壓減小了VG的值。 金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET) 考慮在開始夾斷前的MESFET，如圖(a)所示。沿著溝道的漏極電壓變化如圖(b)所示。溝道基本片段dy兩端的電壓降可表示為 其中，以dy替換了L。與源極相距y處的耗盡區(qū)寬度則可表示為 電流-電壓特性金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET) 漏極電流ID為一定值，且與y無關(guān)可將前式重寫成 漏極電壓的微分dV可由得到 將dV代入前式，并由y=0積分到L，可得 金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET) 即圖顯示了一夾斷電壓為3.2V的MESFET的I-V特性。所示的曲線是當(dāng)0VDVDsat時(shí)由上式I的公式計(jì)算得到。 其中 電壓V

18、P稱為夾斷電壓，也就是當(dāng)W2=a時(shí)的總電壓之和(VD+VG+Vbi)。 金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET) 當(dāng)VDVDsat時(shí)，電流于IDsat達(dá)到飽和，將這個(gè)工作原理區(qū)域稱為飽和區(qū)。當(dāng)漏極電壓進(jìn)一步增加，柵極-溝道間二極管的雪崩擊穿開始發(fā)生，這使得漏極電流突然增加， 這就是擊穿區(qū)。 根據(jù)之前的討論，當(dāng)電壓超過VDsat時(shí)，電流被看作是一定值。注意電流-電壓特性中有著三個(gè)不同的區(qū)域。當(dāng)VD比較小時(shí)，溝道的截面積基本上與VD無關(guān)，此I-V特性為歐姆性質(zhì)或是線性關(guān)系。于是將這個(gè)工作原理區(qū)域視為線性區(qū)。金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET) MESFET的一項(xiàng)重要參數(shù)是跨導(dǎo)，它表示了在某個(gè)特定漏極電壓下，相

19、對(duì)于柵極電壓的變化所造成漏極電流的變化。由上式得到 在線性區(qū)中，其VDVG，式可展開成 金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET) 因此可以求出飽和區(qū)中的跨導(dǎo)為 在飽和區(qū)中，漏極電流為夾斷點(diǎn)時(shí)的電流，也就是當(dāng)VP=VD+VG+Vbi時(shí)的電流，即 相對(duì)應(yīng)的飽和電壓為 在擊穿區(qū)中，擊穿電壓發(fā)生在溝道中具有最高反向電壓的漏極端，擊穿電壓 金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET) 導(dǎo)帶與費(fèi)米能級(jí)間的差為 例4：當(dāng)T=300K時(shí)，一個(gè)以金作接觸的n溝道砷化鎵MESFET。假設(shè)勢(shì)壘高度為0.89V。若n溝道濃度為21015cm-3，且溝道厚度為0.6m。計(jì)算夾斷電壓以及內(nèi)建電勢(shì)。已知砷化鎵的介電常數(shù)為12.4。 解： 夾斷

20、電壓為 內(nèi)建電勢(shì)為 金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET) 至此僅考慮了耗盡器件，也就是器件在VG=0時(shí)具有一可導(dǎo)電的溝道。而對(duì)高速、低功率的應(yīng)用而言，增強(qiáng)型器件則是較佳的選擇。此種器件在VG=0時(shí)沒有導(dǎo)通的溝道，即柵極接觸的內(nèi)建電勢(shì)足以耗盡溝道區(qū)。如半絕緣襯底上生長(zhǎng)一很薄外延層的砷化鎵MESFET。對(duì)增強(qiáng)型MESFET而言，在溝道電流開始流通前，柵極必須加上正偏壓。這個(gè)所需的電壓稱為閾值電壓VT，可表示為 其中VP為夾斷電壓。接近閾值電壓時(shí)，飽和區(qū)的漏極電流可將上式的Vbi代入中，并在(VG-VT)/VP1的前提下，利用泰勒級(jí)數(shù)展開得到 (VG帶負(fù)號(hào)以表示其極性)金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)

21、耗盡型和增強(qiáng)型器件的基本電流-電壓特性是相似的。下圖比較了這兩種工作模式。主要的差別在于閾值電壓沿著VG軸的偏移。增強(qiáng)型器件的跨導(dǎo)為 增強(qiáng)型器件在VG=0時(shí)并沒有電流導(dǎo)通，當(dāng)VGVT時(shí)電流的改變則如前式所示。由于柵極的內(nèi)建電勢(shì)約小于1V，因此柵極的正向偏壓約被限制在0.5V以避免過大的柵極電流。 金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET) 對(duì)MESFET的高頻應(yīng)用而言，有一重要指標(biāo)為截止頻率fT，也就是MESFET無法再將輸入信號(hào)放大時(shí)的頻率，且 上述推導(dǎo)基本上是假設(shè)溝道中載流子的遷移率為一定值，與外加電場(chǎng)無關(guān)。然而，對(duì)相當(dāng)高頻的工作狀態(tài)而言，由源極指向漏極的電場(chǎng)，是大到足以使載流子以其飽和速度進(jìn)行傳導(dǎo)

22、的。在這樣的情形下的截止頻率為 可見，欲改善高頻性能，必須使用具有較高載流子遷移率與較短溝道長(zhǎng)度的MESFET。這就是為何具有較高電子遷移率的n溝道MESFET具有較佳性能的原因。 電流-電壓特性金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET) 因此，要增加fT，必須縮小柵極長(zhǎng)度以及使用高速度的半導(dǎo)體。下圖所示為五種半導(dǎo)體的電子漂移速度對(duì)應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系圖。 注意到，GaAs的平均速度為1.2107cm/s，而峰值速度為2107cm/s，這分別比Si的飽和速度高出了20-100。此外，Ga0.47In0.53As與InP甚至比GaAs有更高的平均速度與峰值速度。因此，這些半導(dǎo)體的截止頻率將比GaAs 來得更高。 金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET) 210310410510610610610510710710810810GaAsAsInGa0.530.47InPGeK300=T)cmV/(1-電場(chǎng))scm/(1-電子漂移速度Si 調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管為異質(zhì)結(jié)