現(xiàn)代電子材料與元器件-5

第五章

化合物半導(dǎo)體器件微電子教學(xué)部馮世娟35065.1pn結(jié)注入比當(dāng)pn結(jié)加正向電壓時(shí)，n區(qū)向p區(qū)注入的電子電流與p區(qū)向n區(qū)注入的空穴電流之比。對于同質(zhì)結(jié)，所以決定同質(zhì)結(jié)注入比的是摻雜濃度，要得到高注入比pn結(jié)的一邊應(yīng)高摻雜。所以一般作為發(fā)射極的材料都是重?fù)诫s。5.1pn結(jié)注入比對于異質(zhì)結(jié)，禁帶寬度是決定異質(zhì)結(jié)注入比的關(guān)鍵因素。對于p-GaAs/n-Al0.3Ga0.7As異質(zhì)結(jié)，其注入比大約為7.4×105。在晶體管、半導(dǎo)體激光器中，注入比是一個(gè)很重要的物理量，它決定了晶體管的放大倍數(shù)、激光器的閾值電流和注入效率等。這是因?yàn)樵诳傠娏髦?，只有注入到基區(qū)（或作用區(qū)）中的少子才對器件有作用。而在異質(zhì)結(jié)中可以用寬帶材料做效率很高的發(fā)射極，這是異質(zhì)結(jié)器件的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。5.1pn結(jié)注入比對于突變異質(zhì)結(jié)，對于緩變異質(zhì)結(jié)，因此為了得到有利的注入比，可選擇適合的長度和漸變方式，從而使能帶圖趨于平滑。一般來說，異質(zhì)結(jié)晶體管的發(fā)射結(jié)都是采用緩變的。MESFET是金屬-半導(dǎo)體-場效應(yīng)晶體管的縮寫。實(shí)用場效應(yīng)晶體管的JFET形式于1953年實(shí)現(xiàn)，而MOSFET形式則于1960年實(shí)現(xiàn)。由于硅材料的獨(dú)特的、接近理想的天然氧化物性質(zhì)，所以MOSFET只使用硅材料。MESFET更適合用化合物半導(dǎo)體制備，GaAs已成為制作這種器件的主流材料。與JFET相比，它在制作工藝方面具有優(yōu)勢。目前，MESFET是高速和微波電路的主導(dǎo)器件。5.3.2GaAsMESFET

5.3.2GaAsMESFET

與硅基MOSFET器件性能相比，GaAsMESFET器件的性能有了很顯著的提高，這主要是材料的特性所造成的。GaAs的導(dǎo)帶電子的遷移率是是Si的6倍，峰值遷移速率是Si的2倍；器件的有源層是生長在半絕緣的GaAs襯底上的，GaAs的電阻率高達(dá)107Ω·cm。而與此相對比，本征Si的典型電阻率為30Ω·cm。GaAs的少子壽命短。低的寄生電阻，較大的跨導(dǎo)，以及較短的電子渡越時(shí)間低的寄生電容很好的抗輻照能力MESFET是一種由Schottky勢壘柵極構(gòu)成的場效應(yīng)晶體管。它與p-n結(jié)型柵場效應(yīng)晶體管相比，只是用金屬-半導(dǎo)體接觸勢壘代替了p-n結(jié)柵。MESFET的工作原理與JFET基本相同,但是有兩點(diǎn)差異:在長溝道(0.5~2μm)GaAs-MESFET中,速度飽和模型能較好地描述I-V特性(雖然飽和機(jī)理是由于谷間躍遷而引起的速度飽和，但與Si和SiC等的MESFET相同，都將產(chǎn)生偶極疇并使電流飽和)；對于柵長<0.5μm的短溝道GaAs-MESFET,由于GaAs中電子的能量弛豫時(shí)間>>動量弛豫時(shí)間，則電子的輸運(yùn)將是瞬態(tài)的，有明顯的速度過沖效應(yīng)(對短溝道Si器件,無明顯的速度過沖)。5.3.2GaAsMESFET

5.4.4HEMT調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管（MODFET）又稱為高電子遷移率晶體管（HEMT）、二維電子氣場效應(yīng)晶體管（TEGFET）。MODFET的獨(dú)特性在于異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中對寬能隙材料進(jìn)行摻雜，載流子擴(kuò)散到未摻雜的窄能隙材料中，并在此形成溝道，溝道中電子在垂直方向上的動量是量子化的（即二維電子氣）。這種調(diào)制摻雜的實(shí)際結(jié)果是，未摻雜異質(zhì)界面上的載流子在空間上與摻雜區(qū)隔離，且由于不存在雜質(zhì)散射而具有極高的遷移率。5.4.4HEMT1HEMT器件結(jié)構(gòu)AlGaAs/GaAsHEMT的截面結(jié)構(gòu)與能帶結(jié)構(gòu)5.4.4HEMTn+GaAs覆蓋層有利于形成器件的低電阻歐姆接觸。n+AlGaAs層為溝道提供電子，而i-AlGaAs隔離層可在空間上將電子積累層與施主原子分開而達(dá)到提高溝道載流子遷移率的作用。Al含量決定了在AlGaAs/GaAs界面處導(dǎo)帶不連續(xù)性的大小，而這一能帶的不連續(xù)性又會去控制GaAs溝道中電子積累層中電子的濃度。Al含量越高，溝道電子濃度越高。20-30%的Al含量范圍兼顧了溝道電子濃度和遷移率。由于AlGaAs的禁帶寬度比GaAs大，從而在n+AlGaAs施主層中的電子很自然的積累在AlGaAs/GaAs界面處，使得i-GaAs溝道中形成高遷移率溝道。從能量上來看，這些電子也傾向于留在GaAs溝道層中。5.4.4HEMT值得注意的是，由電子積累層在未摻雜GaAs溝道中所形成的電場強(qiáng)度非常強(qiáng)，達(dá)到了107V/m量級，因此，該電場就將電子限制在一個(gè)非常窄的近似三角形的凹槽中，離界面處的距離為15-20nm。這一尺寸與電子的波長相當(dāng)，就會導(dǎo)致在與界面垂直的方向上出現(xiàn)電子動量的量子化，于是電子就只能在二維空間中運(yùn)動。正是因?yàn)檫@個(gè)原因，電子積累層通常被稱為二維電子氣（2DEG）。

5.5半導(dǎo)體光源三種躍遷過程E2E1（a）自發(fā)輻射E2E1（c）受激輻射E2E1（b）受激吸收受激輻射與自發(fā)輻射雖然都是從高能級向低能級躍遷并發(fā)射光子的過程，但這兩種輻射卻存在著重要的區(qū)別。最重要的區(qū)別在于光輻射的相干性，由自發(fā)輻射所發(fā)射的光子的頻率、相位、振動方向都有一定的任意性，而受激輻射所發(fā)出的光子在頻率、相位、振動方向上與激發(fā)的光子高度一致，即有高度的簡并性。5.5.2LD1激光振蕩原理二能級體系的基本光學(xué)過程考慮能量為E1和E2、電子濃度為N1和N2的二能級體系的光學(xué)過程，這不一定局限于半導(dǎo)體。三個(gè)主要的過程：（a）吸收（b）自然發(fā)射（c）受激發(fā)射光電探測器和太陽能電池中的基本過程。自然發(fā)射產(chǎn)生的光在空間和時(shí)間上呈隨機(jī)性（非相干），這是LED的主要機(jī)理。受激發(fā)射需要光子輸入來激發(fā)電子躍遷，以產(chǎn)生相同波長和相位的另一個(gè)光子（相干）。它是激光振蕩的主要機(jī)理。5.5.2LD1激光振蕩原理二能級體系的基本光學(xué)過程光強(qiáng)（或光子數(shù)Nhν）的凈變化為受激發(fā)射＋自然發(fā)射－吸收所以光增益要求N2>N1

——粒子數(shù)反轉(zhuǎn)為了獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，可使用外部源如光源的激勵(lì)。對于注入式激光器，p-n結(jié)正偏置提供載流子注入。在結(jié)的任何一側(cè)，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合以產(chǎn)生光。

5.5.2LD1激光振蕩原理產(chǎn)生激光要的條件除了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)外，還需要：諧振腔：能起到光反饋?zhàn)饔茫纬杉す庹袷?；形成形式多樣，最簡單的是法布?帕羅諧振腔。還必須滿足閾值條件：也就是增益要大于總的損耗。F-P腔5.6半導(dǎo)體光電探測器各種不同類型的光電探測器的性能由其量子效率、頻率響應(yīng)及響應(yīng)靈敏度決定。在這里所討論的半導(dǎo)體探測器是本征型的，即半導(dǎo)體中所產(chǎn)生光子的能量接近半導(dǎo)體的禁帶寬度。而非本征光電探測器是用來檢測能量小于禁帶寬度的光，這依賴于深能級陷阱，或者是量子阱中不同的能級。本節(jié)討論的探測器有光電導(dǎo)、結(jié)型如p-i-n二極管、MSM（金屬-半導(dǎo)體-金屬）型光電探測器和APD（雪崩擊穿二極管）。

5.6.1光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)元件又稱為光敏電阻器、光電導(dǎo)電池，或簡稱為光電池。它是開發(fā)的第一種量子光電探測器，在此之前的很長一段時(shí)期內(nèi)都只有光熱電探測器。1873年，Smith發(fā)現(xiàn)了硒的光電導(dǎo)性。涉及載流子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶的光電導(dǎo)元件稱為本征型光電導(dǎo)元件；而涉及雜質(zhì)能級和價(jià)帶或?qū)еg的則稱為非本征型光電導(dǎo)元件。InSb、HgCdTe材料Ge、Si摻雜材料5.6.2p-i-n光電二極管p-i-n光電二極管是最常用的光電探測器之一，有時(shí)簡稱為光電二極管。20世紀(jì)40年代后期開發(fā)的p-n結(jié)可應(yīng)用于許多光子器件，如20世紀(jì)50年代的光電二極管、太陽能電池及LED。20世紀(jì)50年代后期開發(fā)的p-i-n光電二極管是對常規(guī)p-n結(jié)光電二極管的改進(jìn)。半導(dǎo)體反偏pn結(jié)的耗盡層引起空穴和電子的分離。當(dāng)光子進(jìn)入該器件，則會產(chǎn)生空穴-電子對。耗盡層的電場足夠高以便可以分離空穴和電子，且把這些載流子送到各自主要載流子區(qū)域。5.6.3雪崩擊穿二極管前面提到的p-i-n二極管沒有增益，只是增益有所提高后性能有所改善。增加反向電壓使之接近二極管的擊穿電壓，在本征層或n-層的電場強(qiáng)度會很高，這會導(dǎo)致載流子在與晶格發(fā)生碰撞之前被被電場加速到很高的速度，這種器件就稱為雪崩擊穿二極管（APD）。假如這一速度很高，則碰撞會是非彈性的，進(jìn)而引起離子化，導(dǎo)致更多的電子和空穴產(chǎn)生。接著這些由碰撞所產(chǎn)生的電子和空穴與原來的電子一起繼續(xù)被電場加速，會不斷產(chǎn)生新的電子-空穴對。5.6.3雪崩擊穿二極管典型結(jié)構(gòu)(a)一般平面p-i-n或p-n結(jié)構(gòu)。(b)臺面結(jié)構(gòu)。(c)肖特基勢壘結(jié)構(gòu)。因?yàn)锳PD工作在較大的反偏下，所以在結(jié)周圍引入保護(hù)環(huán)以防止表面擊穿是很重要的。常用材料有Si、Ge和Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體。正如后面所討論的那樣，要獲得最小的噪聲，關(guān)鍵在于αn和αp差別大。Si的αn/αp比很大，為50；而Ge和Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的αn/αp比則約小于2。5.6.3雪崩擊穿二極管特性由碰撞電離引起的載流子的倍增，這里電子作為初始電流，且αn?αp。雪崩光電二極管的增益機(jī)理是雪崩倍增，雪崩倍增是碰撞電離的結(jié)果，通常會重復(fù)多次。倍增因子電離系數(shù)是電場強(qiáng)度的函數(shù)，且隨材料參數(shù)改變。5.6.3雪崩擊穿二極管在低壓下，特性類似于p-i-n光電二極管或肖特基勢壘光電二極管。在較高電壓下，暗電流和光電流都被放大。I-V特性量子效率

倍增的光電流遺憾的是，暗電流也在倍增。噪聲因子k應(yīng)減到最?。ㄊ贡戎郸帘却螅┮詼p小噪聲。5.6.3雪崩擊穿二極管雪崩光電二極管的響應(yīng)時(shí)間受雪崩積累的限制。這是除通過器件的渡越時(shí)間以外的時(shí)間，所以雪崩光電二極管比p-i-n二極管或肖特基勢壘光電二