GaAs化合物半导体及高速集成电路

化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

化合物半导体高速集成电路

前言

1.课程研究内容

? 介绍以GaAs为代表的化合物半导体材料与器件的基础知识和发展动态。

? 阐述典型的化合物半导体器件工作原理、制作工艺和基本特性及其在超高速微电子

学中的应用。

? 介绍微波单片集成电路的基本理论、制作工艺和设计方法。 2、课程目的

? 掌握化合物半导体材料与器件的基本知识与基本概念

? 掌握典型化合物半导体器件的制作工艺、基本原理和基本特性 ? 了解GaAs场效应管在混合微波集成电路中的应用 ? 掌握微波单片集成电路的设计和制作方法 3、成绩评定

平时成绩30%，期末考试成绩70%，采取闭卷考试，试题主要包括填空、名词解释、简答和计算题。 4、参考文献

《砷化镓微波场效应管及其集成电路》 李效白 主编 科学出版社 《高速GaAs集成电路》史常忻 等著 上海交通大学出版社 《超高速化合物半导体器件》 谢永贵 主编 宇航出版社

第1章 绪论

1.1化合物半导体材料及其器件概述 1.2 GaAs集成电路的发展和现状

1.1化合物半导体材料及其器件概述 1.1.1 化合物半导体材料的研究背景

硅作为第一代半导体材料被广泛应用到通讯设备中，但是硅电路传输信息的速度慢、杂讯多。传输信息速度的关键在于电子移动速率快慢，这是材料的基本电学特性之一，很难加以改良。为了改善硅电路遇到的问题，新材料的研发成为必然趋势。

化合物半导体是由两种或多种元素组成的混晶结构半导体。目前应用最广、发展最快的化合物半导体材料是Ⅲ-Ⅴ族化合物。

元素周期表中，Ⅳ族列中有著名的半导体Si， Ⅳ 族的左右周期性地排列着Ⅲ族和Ⅴ族元素的镓（Ga）、铝（Al）、砷（As）、氮（N）、铟（In）、磷（P）等，这些元素的组合形成了化合物半导体的主体。这种组合可

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化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

以是两种元素也可以是多种元素。

常用的化合物半导体有GaAs、InP、 GaN、AlχGa1-χAs、InχGa1-χAs、GaχIn1-χP、 （AlχGa1-χ）yIn1-yP等。

1.1.2 化合物半导体材料特性

表1-1 典型化合物半导体GaAs材料与Si材料性能对比 参量 GaAs Si

8000cm2/V.s 1350cm2/V.s 电子迁移率

2×107 cm2/V.s 1×107 cm2/V.s 最大电子漂移速度

能带形式 直接 间接

109Ω 105Ω 最大电阻率

0.7-0.8V 0.4-0.6V 肖特基势垒高度

1.43eV 1.12eV 禁带宽度(300K)

化合物半导体集成电路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗辐射。具体表现在以下几个方面：

（1）化合物半导体材料具有很高的电子迁移率和电子漂移速度。室温时，GaAs的电子迁移率大约比Si的电子迁移率高5倍，最大电子漂移速度约为Si的两倍。因此，GaAs器件可以做到更高的工作频率和更快的工作速度。

（2）GaAs材料的肖特基势垒特性比Si优越。势垒高度达0.7～0.8eV，高于硅。因此，容易实现良好的栅控特性的MES结构。

（3）GaAs的本征电阻率可达109，比硅高四个数量级，为半绝缘衬底。电路工艺中便于实现自隔离，工艺简化，适合于微波电路和毫米波集成电路。

（4）禁带宽度大，可以在Si器件难以工作的高温领域工作。GaAs禁带宽度为1.43eV，InP为1.27eV，都比硅（1.12eV）大。因此，器件工作温度很高。

（5）GaAs为直接带隙半导体，可以发光。也就是说它可以实现光电集成，即把微电子光电子结合起来，实现单块光电IC的多功能化、复合化，可以应用于将来的光电计算机。 （6）抗辐射能力强。在GaAs中，空穴的迁移率比电子的迁移率低一个数量级以上，如果以电子为多数载流子，可以制成载流子浓度为1017/cm3的场效应管（Field Effect Transistor，FET）。

目前，高性能化合物半导体材料制备设备主要为：分子束外延设备（MBE）和金属有机物化学气相沉积设备（MOCVD）。

图1-1 分子束外延设备（MBE） 图1-2 金属有机化学气相沉积设备（MOCVD）

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化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

化合物半导体材料应用范围

军事

智能化武器 航天航空 军事通信 雷达

商用民用

手机 光纤通信 图象处理 照明 大型工作站 高速信号处理

直播通信卫星

手机是促进GaAs IC市场增长的主要动力

GaAs IC 是手机中重要关键零部件功率放大器（Power Amplifier，PA）主流制程技术。 2004年GaAs芯片市场29亿美元，2008年将达37亿美元

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，预计单手机这项需求，2008年GaAs芯片将达到30亿颗 相关数据的解释：

2004年：手机出货量：7.1亿部 每部手机用PA：2.4个 采用GaAs材料：70% 每个PA售价：1美元 GaAs市场总额：7.1×2.4×70%×1/41%＝29亿美元 2008年：手机出货量：11亿部 每部手机用PA：2.7个 采用GaAs制程：60% 每个PA手机：0.7美元 GaAs市场总额：11×2.7×60%×0.7/33%＝38亿美元

图1-3 2004年手机功率放大器份额 图1-4全球手机出货量及增长率图（单位：百万台）

其他典型化合物半导体材料应用： 高速信号处理 信号显示

半导体照明、通信 太阳能利用等。

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图1-5 大功率GaN LED 图1-6 天津工大半导体照明工程

图1-7 GaN、InP化合物半导体发光材料在奥运工程中的应用

图 1-8 化合物半导体集成芯片用于卫星通信，卫星能源供给

1.1.3典型化合物半导体器件 （1）金属半导体场效应管（MESFET）

GaAs集成电路与Si集成电路特点 超高速、低功耗、多功能、抗辐射

图1-9 常规MESFET结构示意图

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图1-10 OKI开发的高效率的功率GaAs MESFET

（2）高电子迁移率晶体管（HEMT）

特点：跨导大、截止频率高、噪声低、开关速度快。 主要应用于低噪声振荡器、功率放大器。

图1-11 HEMT结构示意图

（3）异质结双极型晶体管（HBT）

特点：功率密度高，相位低，线性度好. 主要应用于低噪声振荡器、高功率放大器。

图1-12 HBT结构示意图

（4）谐振隧道二极管（RTD）

（5）异质结场效应晶体管（HFET） （6）结型场效应管（JFET）

（7）金属绝缘体半导体场效应管（MISFET）

1.2 GaAs集成电路的发展和现状

集成电路规模分类

集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目 小规模集成电路(Small Scale IC，SSI) 中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) 大规模集成电路(Large Scale IC，LSI)

超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI) 特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI) 巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）

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第一代(1974-1977)集成规模增大期 第二代(1977-1980)技术集成的适应期

第三代(1980-1984)逻辑和存储器LSI的实现期 第四代(1984-现在)GaAs IC的实用期

图1-13 GaAs IC 集成规模的增大和各时代技术特征

图 1-14 GaAs微波单片集成电路

本章小结：

化合物半导体材料与硅材料相比有那些特点

了解典型化合物半导体器件的中文全称、英文全称及英文简写

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第2章 半导体的能带结构及二维电子气 2.1 砷化镓的晶格结构 2.2 半导体的能带结构 2.3 二维电子气

2.1 砷化镓的晶格结构

GaAs材料为闪锌矿结构，与金刚石结构类似，所区别的是前者由两类不同的原子组成。它是由两类原子各自组成的面心立方晶格，沿空间对角线彼此位移四分之一空间对角线套构而成，每个原子被异族原子所包围。

特点：

每个原子周围都有四个最紧邻的原子，组成一个正四面体结构 GaAs材料为极性半导体。化合物晶体结合的性质除共价键外还具有不同程度的离子性，但共价键占优势闪锌矿结构的Ⅲ-Ⅴ族化合物和金刚石型结构一样，都是由两个立方晶格套构而成，这种晶格称为双原子复式格子。每个元胞中只包含两个原子，一个是Ⅲ族原子，另一个是Ⅴ族原子。

2.2 半导体的能带结构

2.2.1 孤立原子的能级

原子根据原子轨道能级的相对高低，可划分为n个电子层，K、L、M….同一电子层又可以划分为若干个电子亚层，如s、p、d、f等。n为主量子数， ?轨道量子数。Si: 1s22s22p63s23p2 E1s＜E2s＜E2p＜E3s＜E3p＜E4s＜…

表2-1

l：0～n-1

每一能级上有2（2 ? ＋1）个量子态 每层最多容纳的电子数为2n2

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2.2.2 电子共有化运动

原子结合为晶体时，轨道交叠。外层轨道交叠程度较大，电子可从一个原子运动到另一原子中，因而电子可在整个晶体中运动，称为电子的共有化运动；共有化运动的电子应在相似的轨道(壳层)之间转移；共有化运动的产生是由于不同原子的相似壳层间的交叠；轨道共有化反映了能级的共有化。

图2-1 电子轨道共有化示意图

2.2.3 能级分裂

设存在2个相距很远的孤立原子，根据量子力学原理，每个能级均有两个态，为二度简并(不计原子本身的简并)； 当原子相互靠近时，每个原子中的电子除受本身原子的势场作用外，又受到另一原子的势场作用；

结果：二度简并的能级分裂为彼此相距很近的能级，原子靠的越近，分裂越厉害。则原来在某一能级上的电子就处在分裂的二个能级上，为二个原子所共有

图2-2 电子能级分裂

由N个原子组成晶体时：

允带------每一个N度简并的能级都分裂成彼此相距

很近的N个能级，这N个能级组成一个能带。 禁带------允带之间没有能级的带。 绝对零度时：

完全被电子填充的较低能带，称为价带(valence band)，记为Ev价带顶；

在价带上层为完全空的状态的能带，称为导带(conduction band)，记为Ec导带底;

在价带和导带之间的部分称为禁带(band gap)，Eg；Eg=Ec-Ev。

图2-3 能带结构示意

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能带的特点：

允带的宽窄由晶体的晶格常数决定(原子间距)

1. 外层能带宽，内层能带窄。晶格常数越小，能级分裂程度越大，共有化运动显著。 2. 带宽与原子数目N无关，N只决定了能级的密集程度。

3. 原子能级与能带不全是一一对应的。若能级分裂程度较大，能带有可能交叠，且发生轨道杂化。

以金刚石结构的Si为例，硅最外层有4个电子，称4个价电子，是4度简并(或4N简并)。由于发生轨道杂化，s1p3代替了s2p2,随距离缩小(原子间距)，能级变宽，最终分为2个允带。

2.2.4 半导体中的电子状态

（1）描述自由粒子运动的波粒二象性 粒子性：

?1PP?m0V E?

2m0??2波动性：

?P?hK

E?h?

由能量守恒定律结合波粒二相性得到：

h2k2E?2m0V??

hkm0?即波矢k完全决定粒子状态,v为频率，h为普朗克常量。

（2）能带论 一维情况

微观粒子的运动状态随时间改变的规律——微观粒子的运动规律。解出薛定谔方程便能得出电子的波函数及能量。电子在晶体中与晶格同周期的周期性势场中遵守的薛定谔方程为：

?2d?(x)2?.?V(x)?(x)?E?(x) （式2-1）

22m0dx其中V(x)=V(x+Sa) S为整数。V(x)是晶格位置为X的势能，反映了周期性势场的特性。Φ(x)为电子波函数，是一个几率波，它在空间某一点的强度表示在该点找到电子的几率。 布里渊区与能带

禁带出现在k=nπ/a处，即在布里渊区边界上； 允带出现在以下几个区：

第一布里渊区:-π/a

E(k)也是k的周期函数，周期为2π/a,即E( k )=E( k+2nπ/a )，能带愈宽，共有化运动就更强烈。

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图2-4 半导体布里渊区与能带关系

2.3 二维电子气

2.3.1 二维电子气概念

半导体表面反型层中的电子因处于如同被封闭于势箱中的自由电子一样，电子的德布罗意波长与势阱的宽度相当，发生―量子尺寸效应‖。即在垂直方向的运动丧失了自由度，只存在有在表面内两个方向的自由度，它的散射几率比三维电子气小得多，因此迁移率高。典型的二维电子气（2－DEG）存在于以下结构中：半导体表面反型层、 异质结的势阱、超薄层异质结（量子阱结构）。 （1）半导体表面反型层

P型半导体外加一个与半导体纵深相同的电场表面处能带进一步向下弯曲，越接近表面，表面处费米能级可能高于禁带中央能量，即，费米能级离导带底比离价带顶更近一些，表面电子浓度超过空穴浓度，形成了与原来半导体导电类型相反的一层。 （2）异质结势阱中的2－DEG

窄禁带材料GaAs和宽禁带材料AlGaAs接触形成异质结时，接触面的能带形成三角形势阱。 （3）量子阱结构中的2－DEG

如果量子阱材料中阱层厚度小于20nm，而势垒层较厚，则电子基本上被封闭在GaAs内成为2－DEG。

2.3.2 二维电子气的能量状态

半导体表面反型层中2－DEG，耗尽层引起的电势分布呈线性变化，构成三角形势阱。其德布罗意波在Z方向将形成驻波状态。若德布罗意波长为λz ，

?z

Zn?n?,n?0,1,2...2

图2-5 二维电子气能量状态

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以驻波状态存在的自由电子在Z方向的能量为：Ezn?2pz*2m??q?zZn

1*2m//2(px?p2y)

势阱内平行于表面的XY方向电子运动是自由的，可用平面波描述：Ex,y?则2－DEG的全部允许态的能级为：En?Ex,y?Ezn

在量子阱结构中，2－DEG量子能级如图2-6所示，对应能量为：

Ezn?h2*28m?Lzn2,n?0,1,2... LZ为有效厚度

图2-6 GaAs/ AlGaAs系超晶格中2－DEG的量子能级

每一个量子数（n）对应于2－DEG的一个能带，称为子能带，2－DEG就处于各个子

能带中。随着 Z 方向电场的增大，量子能级的能量本征值En也将增大。2－DEG在量子化能带上基本上都分布在能量最低的两个能带E1，E2上，更高能级上电子只占总电子数的千分之几至万分之几。

本章小节

掌握GaAs材料的晶格结构及此结构特点 了解典型化合物半导体材料的能带结构 掌握二维电子气的概念

掌握存在明显二维电子气的结构及其能带图

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第3章 半导体超晶格

3.1 半导体超晶格基本结构 3.2 超晶格的应用举例

3.1 半导体超晶格基本结构 所谓的超晶格，是由几种成分不同或掺杂不同的超薄层周期性地堆叠起来而构成地一种特殊晶体。超薄层堆叠地周期（称为超晶格地周期）要小于电子的平均自由程，各超薄层的宽度要与电子的德布罗意波长相当。其特点为在晶体原来的周期性势场之上又附加了一个可以人为控制的超晶格周期势场，是一种新型的人造晶体。

超晶格的分类

（一）复合超晶格

利用异质结构，重复单元是由组分不同的半导体薄膜形成的超晶格称为复合超晶格，又称为组分超晶格。按照能带不连续结构的特点可将这个类型超晶格分为四类：第Ⅰ类超晶格、第Ⅱ类错开超晶格、第Ⅱ类倒转型超晶格和第Ⅲ类超晶格。 （1） 第Ⅰ类超晶格(GaAs/AlGaAs)

GaAs材料的见地完全包含在AlGaAs的能隙之中，电子和空穴都位于窄带隙材料的势阱中

?Eg??Ec??Ev

?Eg＝1.247x，与Al的组分x成正比。

（2） 第Ⅱ类 —— 错开型超晶格（GaSbAs/InGaAs） 两个带隙互相错开，一个价带底在另一个价带底的下面。电子和空穴分别处于两个不同的材料中

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?Eg?|?Ec??Ev|形成了真实空间的间接带隙半导体 （3） 第Ⅱ类 —— 倒转型超晶格（InAs/GaSb） 一个导带底下降到另一个价带底之下。电子和空穴可能并存于同一个能区中，形成电子－空穴系统

Ec1与Ec2能量相差一个Es，前者的导带与后者的价带部分重叠，从而可能发生从半导体到金属的转变

（4） 第Ⅲ类超晶格(HgTe/CdTe)

宽带隙半导体CdTe和零带隙半导体HgTe构成的超晶格。

只有当超晶格的周期小于某一定值时才具有半导体特性，否则具有半金属特性。

超晶格能隙差由最低导带子能带和价带子能带的间距决定，价带能量不连续值近似为零，导带能量不连续值近似等于两种材料能隙之差。

（二）掺杂超晶格

利用超薄层材料外延技术（MBE或MOCVD）生长具有量子尺寸效应的同一种半导体材料时，交替地改变掺杂类型的方法（即一层掺入N型杂质，一层掺入P型杂质），即可得到掺杂超晶格，又称为调制惨杂超晶格。

这种类型超晶格可看成时由许多超薄p-n结串联构成的，因此也称为p-n结超晶格。因为超晶格周期比空间电荷区的宽度小得多，故所有p-n结势垒区都是耗尽的。

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带边结构近似呈正弦型，N型掺杂层施主原子提供电子，P型掺杂层受主原子束缚电子，这种电子电荷在空间的分布产生一系列的抛物线形势阱。

掺杂超晶格中，电离杂质的空间电荷场在层的序列反向上变化，产生周期性的能带平行调制，使得电子和空穴分别处在不同的空间，形成一种典型的真实空间的间接能隙半导体，适当选择层的厚度和掺杂浓度可达到电子和空穴的完全分离。

电子由费米能级高的n区流向p区，空穴由p区流向n区，p区能带相对n区能带上移，形成统一的费米能级EF，能带弯曲量为qVD，其中VD为空间电荷势

有效禁带宽度：

Eg*=Eg-2qVD+EC1+|EV1|

其中EC1、EV1分别为导带和价带的基态能级，改变层厚和掺杂浓度都可改变Eg*。

图3-1 GaAs掺杂超晶格能带示意图

掺杂超晶格特点：

①掺杂超晶格的有效禁带宽度Eg*与掺杂浓度有关，通过改变掺杂浓度可改变改变Eg*。高掺杂浓度下有可能Eg*=0，即将转变为半金属。②掺杂超晶格中的电子和空穴处在不同导电型号的薄层内，非平衡载流子的复合寿命特别长。若要复合，只有通过热激发越过一定高度的势垒，或通过隧道效应穿透一定厚度的势垒，才能发生复合。③外界作用，如光照，可以改变Eg*和复合载流子寿命。因为光照产生了电子和空穴，将在局部形成一个与p-n结势垒电场方向相反的附加电场，使p-n结势垒高度降低，可通过改变附加电场控制势垒高度。

3.2 超晶格应用举例

（一）谐振隧道二极管（ Resonant Tunneling Diode ，RTD ）

共振隧穿器件是利用量子共振隧穿效应而构成的一种新型高速器件，包括两端的共振隧穿二极管（RTD）和三端的共振隧穿三极管（RTT）。共振隧穿器件最典型的结构是一个双势垒—量子阱系统，其中势垒由宽带隙材料构成（宽度为1.4～5nm），势阱由窄带系材料构成（宽度为3.0 ～ 7.0nm）。

典型GaAs和AlGaAs交替生长构成的双势垒结构能带结构见图3-2。中间GaAs为阱区，阱两侧的宽带隙AlGaAs是势垒区，其两端为重掺杂的GaAs层。简并化重掺杂半导体中，n形半导体费米能级进入导带。当势阱宽度足够窄时，阱中形

图3-2 RTD能带结构 成二维量子化能级E0、E1、E2…。

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图3-3 RTD负阻特性

图 3-4 RTD双稳态电路特性

谐振隧穿器件特点

⑴高频、高速工作。由于隧穿机制是一种高速物理机制，RTD本征电容小，器件有源区很短，决定了它具有非常快的速度和非常高的工作效率。

⑵低工作电压和低功耗。通常RTD的工作电压在0.5V左右，工作电流为mA量级。

⑶负阻、双稳和自锁特性。负阻是RTD和RTT的基本特性。由负阻特性进而导致双稳和自锁特性。这些特性是构成RTD和RTT模拟电路和数字电路的基础。

⑷多种逻辑功能和用少量器件完成一定逻辑功能的特性。例如构成一个异或（XOR）门，用TTL需33个器件，用CMOS需16个器件，而用RTD只需4个器件。

（二）其他光电器件和发光器件

⑴多量子阱（MQW）激光器。MQW发光波长可以通过控制GaAs薄层的厚度来加以调节，阈值电流与温度的关系小，效率高。 ⑵远红外发光器件。使用超晶格材料制作的量子级联激光器的发射波长可以从几微米的中红外波段一直连续扩展到几十微米的远红外波段。同时波长可以通过控制各GaAs层的厚度来

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加以调节。 ⑶光调制器。某些超晶格中电子空穴分别封闭在不同的超薄层中，外界信号可以改变其有效禁带宽度，进而可以改变器件发射波长，即所谓的光调节器。

⑷光双稳器件。当GaAs中存在激子时，折射率将不同，可制成光双稳器件。

本章小结

掌握超晶格的概念、特点及分类；

掌握掺杂超晶格的能带图，这类超晶格有何特点； 掌握RTD的工作原理，I－V特性 掌握RTD加不同偏压时的能带图 谐振隧穿器件特点和RTD特性

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第4章 半导体异质结 4.1 半导体异质结界面

4.2 半导体异质结的能带突变 4.3 半导体异质结的能带图

4.1 半导体异质结界面 半导体异质结概念

同质结（p-n结）：在同一块单晶材料上，由于掺杂的不同形成的两种导电类型不同的区域，区域的交接面就构成了同质结。

若形成异质结的两种材料都是半导体，则为半导体异质结。若一方为半导体一方为金属，则为金属－半导体接触，这包括Schottky结和欧姆接触。

1957年，德国物理学家赫伯特.克罗默指出有导电类型相反的两种半导体材料制成异质结，比同质结具有更高的注入效率。1960年， Anderson制造了世界上第一个Ge－GaAs异质结。1962年，Anderson提出了异质结的理论模型，他理想的假定两种半导体材料具有相同的晶体结构，晶格常数和热膨胀系数，基本说明了电流输运过程。

1968年美国的贝尔实验室和苏联的约飞研究所都宣布做成了GaAs-AlxGa1-xAs双异质结激光器。在70年代里，金属有机物化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延(MBE)等先进的材料成长方法相继出现，使异质结的生长日趋完善。

半导体异质结分类

1.根据半导体异质结的界面情况，可分为三种： （1）晶格匹配的异质结。300K时，如： Ge/GaAs(0.5658nm/0.5654nm)

GaAs/AlGaAs（0.5654nm/0.5657nm）、 InAs/GaSb（0.6058nm/0.6095nm） （2）晶格不匹配的异质结 （3）合金界面异质结

2.根据过渡空间电荷分布情况及过渡区宽度的不同：

（1）突变异质结：在不考虑界面态的情况下，从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生于几个原子距离（≤1μm）范围内。

（2）缓变异质结：在不考虑界面态的情况下，从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡发生于几个扩散长度范围内。

3.根据构成异质结的两种半导体单晶材料的导电类型：

（1）反型异质结：由导电类型相反的两种半导体单晶材料所形成的异质结。 如（p）GaAs－（n）AlGaAs

（2）同型异质结：由导电类型相同的两种半导体单晶材料所形成的异质结。 如（n）GaAs－（n）AlGaAs

为了方便讨论两种不同带隙的半导体相接触所形成的异质结在使用符号上作了一些规定，用小写字母n和p表示窄禁带半导体的导电类型，用大写字母P和N表示宽带隙半导体导电类型。例如：p型窄带隙半导体GaAs和n型宽带隙半导体AlGaAs构成的异质结，p－N GaAs－AlGaAs， p型窄带隙半导体Ge和p型窄带隙半导体GaAs， p－p Ge－GaAs。另外，n－P GaAs－GaP， n－N Si－GaP

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异质结界面态

异质结是由两种不同的半导体单晶材料相接触形成的结，这两种材料的晶格常数是不同的，因此会产生晶格失配，在两种半导体材料的交界面处产生了悬挂键。设两种材料的晶格常数分别为a1、a2，且a1

图4-1 异质结界面晶格匹配

在交界面处，晶格常数较小的半导体材料中出现了一部分不饱和的键，这就是悬挂键。晶格失配度定义为：

2（a2-a1）/(a1+a2) （式4-1）

表4-1 几种半导体异质结的晶格失配 异质结 Ge-Si Ge-InP Ge-GaAs Ge-GaP Ge-CdTe Ge-CdSe

异质结中的界面态主要是由于界面处的晶格失配所造成的。悬挂键的存在，是严格按周期性排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，可能在禁带中引入允许电子具有的能量状态，即引入了界面态。异质结中的界面态是与悬挂键相对应的，可估算出界面态密度：

NS=NS1－NS2 （式4-2）

NS1、NS2分别为两种材料在交界面处的键密度。对闪锌矿结构的半导体异质结，两种晶体的价键面密度之差可求得结果如下： 11Ns?4(2?2)100界面 a 2 a 1 （式4-3）

11110界面 N s ? 2 2 ) （式4-4） 2 ( 2 ?a2a1

411111界面 N s ? ( 2 （式4-5） ? 2 )3a2a1

即使晶格匹配很好的异质结（如Ga/GaAs），也存在有1012cm-2数量级的界面态密度。

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晶格失配 4.1% 3.7% 0.08% 3.7% 13.5% 21.3％ 异质结 Si-GaAs Si-GaP InSb-GaAs GaAs-GaP GaP-AlP Si-CdS 晶格失配 4% 0.36% 13.6% 3.6% 0.01% 21.6% 化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

为进一步降低界面态密度，有必要使其晶格匹配的更好，这可通过人为控制晶格常数来实现。对Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体来说，其晶格常数一般地近似认为随组分做线性变化，因此可用三元或四元化合物半导体制作出晶格匹配非常完美的异质结。另外，除了晶格失配产生界面态以外，由于两种材料的热膨胀情况不匹配，以致引起界面畸变，也可产生界面态。

4.2 半导体异质结的能带突变

异质结的两边是不同的半导体材料，则禁带宽度不同，从而在异质结处就存在有导带的突变量△EC和价带的突变量△EV。 典型的异质结能带突变形式

△EC=EC1－EC2>0 △EV=EV2－EV1>0

△Eg=Eg1－Eg2 = △EC+ △EV

△EC=EC1－EC2<0 △EV=EV2－EV1>0 △Eg= |△EC+ △EV|

△EC=EC1－EC2<0 △EV=EV2－EV1>0 △Eg= |△EC+ △EV|

图4-2 典型异质结能带突变

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能带突变应用：

图 4-3 能带突变应用

图4-3（a）能带突变可以产生若热电子。在许多共振隧穿结构中电子以比集电区费米能级高出几个kT的能量注入集电区，与晶格相比电子是―热‖的。是弹道热电子晶体管（HET）和共振热电子晶体管（RHET）的工作基础。图4-3（b）能带突变是能使电子发生反射的势垒。阻挡电子，形成电子的积累层。图4-3（c）能带突变提供一定厚度和高度的势垒，当势垒很薄时，电子可以隧道穿透它，当势垒较厚时，只有那些能量比势垒高度要大的电子才能越过它。图4-3（d）能带突变是造成一定深度和宽度的势阱，束缚电子，但势阱宽度小于电子德布洛意波长时，阱中的电子将处于一系列的量子化能级上。

能带突变量的实验测定

（1）光学法（光谱法）

通过测量电子在势阱中各分离能级间跃迁而产生的光吸收谱和发射光谱，求出分离能级间的能量，然后计算出能带突变量。1974年，丁格尔(R.Dingle）采用GaAs/Al0.2Ga0.8As异质结，通过测红外吸收谱给出：△Ec＝0.85 △Eg。1984年，Miller采用GaAs/Al0.3Ga0.7As异质结，通过同样方法给出：△Ec＝0.57 △Eg 。

图4-4 量子阱能级

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（2）电学方法

使用电学方法测量带阶时，由于同型异质结和反型异质结的能带分布不同，因此具有不同的计算方法。

根据异质结的能带图可以推导出导带带阶和异质结势垒高度qVD、费米能级与两种材料临近的导带底或价带顶的差δ1和δ2的关系公式：

反型异质结：△EC＝qVD－Eg1＋δ2＋δ1 同型异质结：△EC＝qVD＋δ2－δ1

构成异质结的两种材料及掺杂浓度确定，根据半导体物理的知识可求出导带带阶。 （3）光电发射谱法

在GaAs衬底上生长几纳米 AlAs，使用X光照射异质结，通过测量其发射谱可得到GaAs价带顶能级Ec1与EGa3d的差E1，及E2和△EB，因而价带带阶为：

E1+ △EB－E2＝ △Ev

图 4-5 GaAs/AlA异质结能级

4.3 半导体异质结能带图

不管什么类型的异质结，在研究异质结特性的时候，异质结的能带图都起着非常重要的作用，它是分析很多物理现象的基础。

所谓能带图就是异质结界面两侧的导带最低值和价带最高极值的能量随坐标的变化。在不考虑两种半导体交界面处界面态的情况下，任何异质结的能带图都取决于形成异质结的两种半导体的电子亲和能Х，禁带宽度Eg，以及功函数φ。

反型异质结

先以p-N GaAs－AlGaAs异质结为例介绍一下异质结的能带图。先看一下两种材料形成异质结之前的能带图。

图4-6 p-N GaAs、AlGaAs能带

异质结能带图中各个量代表的物理意义：

E0：真空能级。表示电子跑出半导体进入真空中所必须具有的最低能量，对所有材料都

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是相同的。

Χ：电子亲和势。是一个电子从导带底移动到真空能级所需的能量，由材料的性质决定，和其他外界因素无关。

φ：功函数。表示将一个电子从费米能级EF处转移到真空能级所需的能量。费米能级的高度与半导体所掺杂质的类型和浓度有关。

Eg1、Eg2分别表示两种半导体材料的禁带宽度；δ1为费米能级EF1和价带顶Ev1的能量差，δ2为费米能级EF2与导带底Ec2的能量差。 由图可知：

两种半导体导带底的阶跃

△EC＝Χ1－Χ2，即相应亲和势之差 价带顶的阶跃

△EV＝Eg2－Eg1－△EC

＝ Eg2－Eg1－Χ1+Χ2

△EC、△EV由材料性质决定，与外界因素无关。

当两块不同的半导体紧密接触而形成异质结时，为使体系达到平衡，必将发生电子的转移，直至体系中各处的费米能级完全一致为止。与同质p-n结的情况一样，电子的转移会导致界面附近能带发生弯曲。先考虑理想异质结的情况，即忽略界面态的影响。 认为形成异质结的两种材料都为理想材料，作如下假设： （1）两种材料从界面倒其内部保持自己的特性 （2）只有在界面处材料才发生突变 （3）忽略界面的电偶夹层等

在零偏压下，接触界面上的费米能级要相等，发生载流子扩散运动，界面附近留下一个空间电荷区（耗尽区或者势垒区）。在热平衡下，即载流子的扩散运动和漂移运动达到平衡时，产生了一个内建电场，电势差满足： qVD=EF2-EF1;

P型空间电荷区中的扩散电位为：

qNA2

V1?xp2?1?0

其中NA为p型区掺杂浓度，xp为p型空间电荷区宽度，ε1、ε0分别为相对介电常数

和真空介电常数。

N型空间电荷区中的扩散电位为：

qND2

V2?xn2?2?0 其中ND为N型区掺杂浓度，xn为N型空间电荷区宽度，ε2、ε0分别为相对介电常数

和真空介电常数。

整个半导体满足电中性条件，势垒区内正负电荷总量相等，即： qN A x p ? qN D x n ? NAxp?NDxn 2??xV?N?N ?2?1D?n??1A?V1?2NA??2ND ?xp?热平衡下异质结的空间电荷区电容可给出为：

qNDNA?1?2C?

2??2ND??1NA?VD

形成异质结后能带图如图4-7所示：

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图 4-7 p-N GaAs－AlGaAs异质结能带图

图4-7可反映出异质结能带两个特点： （1）能带发生了弯曲

N型区在导带底和价带顶的弯曲量为qVD2，且导带底在界面处形成―尖峰‖ P型区在导带底和价带顶的弯曲量为qVD1，且价带顶在界面处形成―凹口‖ （2）能带在交界面处不连续，有一个突变 导带断续 △EC＝Χ1－Χ2

价带断续 △EV＝Eg2－Eg1－△EC＝ Eg2－Eg1－Χ1+Χ2

势垒尖峰的位置处于势垒上的什么部位将由两边材料的相对掺杂浓度来决定．有可能出现如下图所示的几种情况：

（a） （b）

（c）

（d）

图4-8 不同掺杂浓度p-N异质结能带结构示意图

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图4-8（a）当宽带掺杂比窄带少得多时，势垒主要落在宽带区；图4-8（b） p-N两边掺杂差不多时，势垒尖峰在平衡时并不露出p区的导带底。图4-8 (c)所示，窄带掺杂比宽带少得多时势垒主要降在窄带区，尖峰靠近势垒的根部。图4-8（d）所示，如果宽带隙材料为p型掺杂,窄带隙材料n型掺杂,势垒的尖峰将出现在价带上,ΔEV将对空穴起限制作用。

反型异质结的能带图远不止上述几种。可能碰到Χ1和Χ2，Φ1和φ2的各种组合的情况不下十余种。图4-9列举了四种常见的能带排列。

图4-9 常见反型异质结能带结构

同型异质结能带图：

能带总的弯曲量即为真空能级的弯曲量，图4-10（a）所示n-N型异质结能带―尖峰‖出现在导带，图4-10（b）所示p-P型同质结能带尖峰出现在价带 。

（a） （b）

图4-10 n-N型异质结能带

与反型异质结的能带图类似,同型异质结能带图也远不止上述几种。图4-11列举了四种常见的同型异质结能带排列:

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图4-11 典型同型异质结能带图

异质结界面态

异质结界面的晶格失配或其它缺陷将产生界面能级．界面

能级一般可分为两种类型：一种是类施主能级，电离后带正电；一种是类受主能级，电离后带负电。无论界面能级是类施主或是类受主型的都不影响异质结能带图的基本形状。界面能级对能带图的影响与界面态密度的大小和界面态能级的性质有关。可分为两种情况讨论 （1）界面态密度较小时

图4-12 界面态密度较小的异质结能带图

（2）界面态密度很大时

能带弯曲的方向要受界面电荷的影响。如果界面上存在着大量的类受主能级，因它们电离后带负电荷，异质结的能带图将如下图：

图4-13 界面存在大量负电荷异质结能带图

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如果界面上存在着大量的类受主能级，因它们电离后带正电荷，异质结的能带图将如下图：

图4-14 界面存在大量正电荷异质结能带图

4.4 半导体异质结的伏安特性

在p-n异质结中既有电子势垒，也有电子势阱，但势垒高度和势阱深度的大小不一样时，异质结的导电机理将有所不同，所以我们把这种异质结区分为两种情况：负反向势垒和正反向势垒。

以p－N型异质结为例，如图4-15

（a）在交界面处禁带宽度大的半导体的势垒―尖峰‖，低于异质结势垒区外的禁带宽度小的半导体材料的导带底，称图中的 －qVB＝qVDn－qVD＋ΔEc 为负反向势垒

（b）在交界面处禁带宽度大的半导体的势垒―尖峰‖，高于异质结势垒区外的禁带宽度小的半导体材料的导带底，称图中的 qVB＝qVDn－qVD＋ΔEc 为正反向势垒

图4-15 两类半导体异质结能带图

不考虑界面态情况下：

负反向势垒p-N异质结伏安特性： 空穴运动时遇到较高势垒（为qVD+ΔEV ），电子遇到势垒高度较低（为qVD－ΔEC ），通过势垒的电流主要是电子电流，空穴电流可以忽略。电流密度J与外加电压V的关系为： qV??EcqV?DD J?qnn0(n)ek0T(ek0T?1)?n

其中nn0为n型半导体多数载流子浓度，Dn和τn分别是电子的扩散系数和寿命

正反向势垒p-N异质结伏安特性：

三角形势垒中存在大量的2－DEG，往右输运遇到势垒高度为qVB，需考虑其对电流的贡献。空穴运动时遇到较高势垒（为qVDp+qVDn－ΔEV ），电子遇到势垒高度较低（为qVDn)。通过势垒的电流主要是方向相反的两个电子电流，电流密度J与外加电压V关系为：

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?n

综上，总结正反向势垒、负反向势垒导电特性如图4-16所示:

J?qnn0(Dn?)eqVDnk0T(eqVnk0T?qVpk0T?e)

图4-16 异质结导电特性（实线为负反向势垒，虚线为正反向势垒）

由图可知，在不考虑界面态情况下，负反向势垒p-N异质结和p-n结类似，具有很好的整流特性（单向导电性）；在正反向势垒时几乎不存在有整流特性，正向和反向电流随外加电压按指数函数关系增大

同型异质结的伏安特性

与反型异质结类似，同型异质结具有指数式的伏安特性。需注意以下几点：

（1）通过异质结的电流主要是多数载流子电流。对n-n结，对电流有贡献的是右边导带中的电子和三角形势阱中的2－DEG；对p-p结，对电流有贡献的是左边价带中的空穴和三角形势阱中的二维空穴气。

（2）若异质结是负反向势垒形式，则具有整流特性；若是正反向势垒形式，则没有整流特性。

（3）因为在窄能隙半导体一边的表面处形成有积累了大量多数载流子的三角形势阱，所以加在异质结上的电压大多落在宽带隙一边的半导体中。

本章小节

掌握半导体异质结的概念，根据不同标准异质结的分类

掌握能带图的概念，异质结的能带图取决于哪几个量，其物理意义是什么 掌握p－N、n－P、n-N、p－P四种异质结能带图的画法 掌握异质结的能带图有何特点 能带图中尖峰位置和什么因素有关

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第五章 高电子迁移率晶体管

5.1 HEMT的基本结构和工作原理 5.2 HEMT基本特性

5.3 赝高电子迁移率晶体管

5.1 HEMT的基本结构和工作原理

高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor ，HEMT），也称为2－DEG场效应晶体管；因用的是调制掺杂的材料，所以又称为调制掺杂场效应管。1978年R.Dingle首次在MBE（分子束外延）生长的调制掺杂GaAs/AlGaAs超晶格中观察到了相当高的电子迁移率。1980年日本富士通公司的三村研制出了HEMT，上世纪80年代HEMT成功的应用于微波低噪声放大，并在高速数字IC方面取得了明显得进展。

传讯速度的关键在于电子移动速率快慢，HEMT中的电子迁移率很高，因此器件的跨导大、截止频率高、噪声低、开关速度快。

表5-1 几种场效应晶体管中电子迁移率对比(单位：cm2/V.s) 器件 HEMT GaAs MESFET Si MESFET 300K 8000 4800 630 77K 54000 6200 1500 作为低噪声应用的HEMT已经历了三代变化，低噪声性能一代比一代优异： 第一代：AlGaAs/GaAs HEMT，12GHz下，NF为0.3dB，增益为16.7dB。

第二代：AlGaAs/InGaAs/GaAs HEMT (PHEMT赝高电子迁移率晶体管)，40GHz下，NF为

1.1dB；60GHz下，NF为1.6dB；94GHz下，NF为2.1dB。

第三代：InP基HEMT， 40GHz下，NF为0.55dB；60GHz下，NF为0.8dB；95GHz下，

NF为1.3dB。

AlGaAs/GaAs HEMT的基本结构

制作工序：在半绝缘GaAs衬底上生长GaAs缓冲层（约0.5μm）→ 高纯GaAs层（约60nm） → n型AlGaAs层（约60nm） → n型GaAs层（厚约50nm） →台面腐蚀隔离有源区→制作Au/Ge合金的源、漏欧姆接触电极→干法选择腐蚀去除栅极位置n型GaAs层→淀积Ti/Pt/Au

栅电极。 图5-1 GaAs HEMT基本结构

HEMT是通过栅极下面的肖特基势垒来控制GaAs/AlGaAs异质结中的2－DEG的浓度实现控制电流的。栅电压可以改变三角形势阱的深度和宽度，从而可以改变2－DEG的浓度，所以能控制HEMT的漏极电流。

由于2－DEG与处在AlGaAs层中的杂质中心在空间上是分离的，则不受电离杂质散射的影响，所以迁移率很高。

图5-2 GaAs HEMT中2-DEG

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AlGaAs隔离层制作

在低温工作时，由于晶格振动减弱，则n型AlGaAs层中的电离杂质中心对紧邻的2－DEG的Coulomb散射将成为提高迁移率的主要障碍。为完全隔离杂质中心与2－DEG，往往在n型AlGaAs层与GaAs层之间设置一厚度约10nm的未掺AlGaAs隔离层，见图5-3（a）。当隔离层厚度大于7nm时，杂质中心的Coulomb散射即不再是限制电子迁移率的主要因素，见图5-3（b），而这时其他散射如界面散射影响将成为重要因素。隔离层厚度太大又会导致2-DEG面密度下降和源漏串联电阻增加等，所以隔离层厚度一般取7－10nm。

图5-3 （a）HEMT中电离杂质隔离层结构图 （b）隔离层厚度与电子迁移率关系

AlGaAs层厚度的选择

从减小串联电阻来讲，AlGaAs越薄串联电阻越小；从器件工作来看，这层应当完全耗尽，否则在该层出现寄生沟道会使器件特性严重退化。从器件工作模式方面考虑，耗尽型HEMT中这一层的厚度需要大一些，相反，对增强型HEMT应薄些。对耗尽型HEMT，AlGaAs层的理想厚度应当是使栅肖特基势垒的边界与提供2－DEG而形成的势垒区的边界正好相重叠，通常取35－60nm

AlGaAs中含Al量 x 的选择

提高 x 将使该层材料的禁带宽度增大，导致异质结的导带突变量△EC增大，从而引起2－DEG的浓度增加，可以减小源/栅寄生电阻、提高高频性能。但是，当Al组分x较大时，该晶体的表面质量将下降（缺陷增加），这会给工艺带来很多困难，一般取x＝0.3。

n-AlGaAs层掺杂浓度

从增大2－DEG浓度和提高器件的跨导来讲，应当越高越好；但如果掺杂浓度高于 2×1018cm-3，在其上要获得非隧道肖特基势垒将很困难，限制了最高的掺杂浓度。

HEMT材料的改进

（1）缓变调制A1GaAs层。为了消除n-GaAs／n-A1GaAs层界面处的导带不连续性，降低界面电阻，在n-GaAs下生长一层Al组分从0变至x的A1GaAs层，厚度比较薄(10-20nm)，再接上掺杂的A1组分为x的AlGaAs层。（2）平面掺杂A1GaAs层。为了克服肖特基势垒击穿低的缺点，在生长完隔离层以后，生长一层高浓度掺杂的薄层，浓度在1019cm-3以上，厚度为2～4nm，这层A1GaAs又叫平面掺杂层或δ掺杂层．接着再生长不掺杂或低掺杂的AlGaAs层与栅金属接触。

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5.2 HEMT 基本特性

二维电子气浓度和栅极电压的关系

AlGaAs/GaAs界面形成的三角形势阱的深度受到加在栅极上的电压VG控制，故2-DEG的浓度(面密度)将受VG控制 ?ns?(VG?Voff)根据电荷控制模型2-DEG浓度ns与VG关系为: q(d??d)其中ε为AlGaAs的介电常数，d为该层厚度，VT为HEMT的阈值电压，△d为2-DEG的有效厚度。

图5-4 2-DEG与栅极电压关系

I-V特性

强电场下工作的耗尽型HEMT和增强型HEMT都呈现出平方规律的饱和特性。

图 5-5 HEMT 漏极电流ID和漏极电压VDS关系

5.3 赝高电子迁移率晶体管(PHEMT)

在低温下HEMT的特性将发生退化，主要是由于n-AlGaAs层存在一种所谓DX中心的陷阱，它能俘获和放出电子，使得2-DEG浓度随温度而改变，导致阈值电压不稳定。实验表明：对掺硅的AlxGa1－xAs，当x<0.2基本不产生DX中心，反之则会出现高浓度的DX中心。对于HEMT中的n－AlGaAs层，为了得到较高的能带突变通常取x=0.3，必然会有DX中心的影响。为了解决这个问题，1985年Maselink采用非掺杂的InGaAs代替非掺杂的GaAs作为2－DEG的沟道材料制成了赝高电子迁移率晶体管。InGaAs层厚度约为20nm，能吸收由于GaAs和InGaAs之间的晶格失配（约为1％）而产生的应力，在此应力作用下，InGaAs的晶格将被压缩，使其晶格常数大致与GaAs与AlGaAs的相匹配，成为赝晶层。因

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为InGaAs薄层是一层赝晶层且在HEMT中起着 i –GaAs层的作用，所以成为―赝‖层，这种HEMT也就相应地成为赝HEMT。（见图5-6）

图 5-6 PHEMT的基本结构及其能带图

PHEMT较之常规HEMT有以下优点：

(1)InGaAs层二维电子气的电子迁移率和饱和速度皆高于GaAs，前者电子饱和漂移速度达到了7.4×1017cm2V-1S-1，后者为4.4×1017cm2V-1S-1，因此工作频率更高。

(2)InGaAs禁带宽度小于GaAs，因此增加了导带不连续性。300K时GaAs禁带宽度为1.424eV，InGaAs为0.75eV。

(3)InGaAs禁带宽度低于两侧AlGaAs和GaAs材料的禁带宽度，从而形成了量子阱，比常规HEMT对电子又多加了一个限制，有利于降低输出电导，提高功率转换效率。

对InGaAs两侧调制掺杂，形成双调制掺杂PHEMT，双调制掺杂PHEMT的薄层载流子浓度是常规PHEMT的二倍，因此有非常高的电流处理能力。对于1μm栅长的器件，在300K和77K下已分别达到430mA/mm和483mA/mm的水平。（见图5-7）

图 5-7 双调制掺杂PHEMT能带图

本章小节

掌握HEMT基本结构*

了解HEMT器件的工作机理

为提高常规HEMT性能，对材料结构做了哪些改进* 掌握PHEMT材料结构，与常规HEMT相比有什么特点*

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第六章 异质结双极性晶体管 6.1 HBT的基本结构

6.2典型结构HBT的性能 6.3 其他结构HBT举例

6.1 HBT的基本结构

异质结双极性晶体管—— Hetero junction Bipolar Transistor （HBT）

1951年，Shockley针对普通双极晶体管较难做到超高频、超高速的问题，提出了宽带隙发射区的概念。1957年，Kroemer根据扩散模型分析了宽带隙发射区对提高电流放大系数的作用。上世纪70年代中期，随着MBE和MOCVD技术的发展，制作出了性能良好的AlGaAs/GaAs异质结双极型晶体管。目前，HBT在低相位噪声振荡器、高效率功率放大器、宽带放大器中都有广泛的应用。

异质结双极性晶体管器件具有宽带隙发射区，大大提高了发射结的载流子注入效率；基区可以高掺杂（可高达1020cm-3)，基区电阻rb可以显著降低，从而增加 fmax ；同时基区不容易穿通，从而厚度可以做到很薄，即不限制器件尺寸缩小；发射结浓度可以很低（约1017cm-3）,从而发射结耗尽层电容大大减小，器件的 fT 增大。

HBT具有功率密度高、相位噪声低、线性度好等特点，在微波高效率应用方面比MESFET 、HEMT更有优势。

图6-1 AlGaAs/GaAs HBT的结构及各层掺杂浓度的分布

常见的HBT包括：（1）AlGaAs/GaAs HBT 发射区采用AlxGa1-xAs材料，Al组分x选择在0.25左右（高于此值时n型AlGaAs中出现深能级使发射结电容增加）。特点为AlGaAs/GaAs体系具有良好的晶格匹配，采用半绝缘衬低，器件之间容易隔离和互连。（2）InGaAs HBT 基区采用InGaAs材料，InP或InAlAs作为发射区材料。这类器件的半绝缘衬底采用掺Fe的InP，优点是InGaAs中的电子迁移率很高，本征材料中其电子迁移率是GaAs材料的1.6倍。（3）Si/SixGe1-x HBT 加入Ge可以降低Si的禁带宽度，形成可以用于HBT基区的合金。GeSi HBT特点是禁带宽度差基本全部产生在△EV制作n-p-n型HBT具有很高的注入效率；采用成熟的Si工艺，工艺简单成熟，价格便宜。

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6.2典型结构HBT的性能

异质结双极性二极管（HBT）的能带间隙在一定范围内可以任意设计，从这器件各区带隙宽度变化角度出发，可以考虑如下几种情况：

(1)宽带隙发射区结构 (2)缓变基区结构 (3)宽带隙集电区结构 (4)缓变集电区结构 从器件高速性能设计角度考虑，HBT有代表性的四种结构为：

（1）突变发射结结构（2）缓变发射结结构（3）缓变发射结、缓变基区结构（4）突变发射结、缓变基区结构

以n-p-n型AlGaAs/GaAs HBT为例，分别讨论各典型结构HBT性能。 （1）突变发射结HBT

通过改变异质发射结的组分来实现，其重要特点是发射结两边的导带底存在一个能带突变量△EC，阻碍电子从发射区流到基区，降低了发射结的注入效率。但在高速工作时，注入基区的电子速度较高，电子渡越基区的时间τB将变短，则特征频率 fT 升高。

图 6-2 突变发射结HBT能带图

（2）缓变发射结HBT

为了提高HBT的电流增益,在几十纳米的距离上改变合金材料的组分比例将得到一个缓变异质结。例如AlxGa1-xAs，如果组分比例x从某一组分下降到零，则禁带将从较大的宽度缓变到GaAs的禁带宽度，电子亲和能则具有相反的变化趋势。

放大状态下，基极电流来自三个方面：发射势垒中的复合电流jer、基区内复合而必须补偿空穴损失的电流jbr 和基区向发射区注入的空穴电流jep；集电极电流主要来自发射极注入并穿过基区的电流jcn

图6-3 缓变发射结HBT热平衡状态下能带图和放大工作状态下能带图

jCnjn于是共发射极电流增益可表示为： h??h(max)?FEFEj?j?jjp ErBrEpqV/kT根据晶体管理论：jn?qNEvnben jp?qNBvpeeqVp/kT

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?EgkT所以 hFE(max)?NEvnbeNBvpe

其中NE、NB分别为发射极区和基区掺杂浓度，vnb为基区靠近发射结处的电子平均速度，vpe为发射区靠近基区一侧的空穴平均速度，qVn、qVp分别为电子势垒和空穴势垒的高度。 与掺杂分布相同的同质结晶体管（BJT）相比，hFE(max)之比为： ?EghFE(max)(HBT)?exp() hFE(max)(BJT)kT

其中△Eg= | qVp-qVn |，可见宽禁带发射区异质结可使电流增益大幅度提高。通常选取△Eg>250meV(～10kT),与同质结相双极晶体管比，hFE提高了104倍。

这样，即使基区高掺杂浓度很高（可以达到1020cm-3），发射区掺杂浓度很低（可达1017cm-3），也可以得到较高的电流放大系数。而提高基区掺杂浓度，降低发射区掺杂浓度都会使器件性能得到很大改善。

表征高频和开关性能的参数—特征频率fT，由四个时间常数决定：

1 fT?2?(?E??B??C??x)

式中，τE为发射结电容充放电时间，τB为渡越基区时间，τC为集电极电容充放电时间，τx为集电结耗尽层信号延迟时间。对小信号情况，影响fT的主要因素是τE 和τB。 HBT的发射区掺杂浓度可以做的很低，则Ce小，从而τE很小，fT很高。

（3）缓变发射结、缓变基区HBT

基区使用宽带隙材料，通过改变材料组分比例控制基区中带宽缓变，使之导带建立能带梯度△Egb也是很有意义的。对缓变基区结构的HBT，需要考虑基区内部漂移电场E的作用。设基区两端带隙之差为△Egb，则有 V??Egb/qWBHBT中基区宽度WB往往做的很薄（约0.1μm），因此漂移电场V可以很大（BJT的漂移电场一般2～6kV/cm，HBT中可达20kV/cm），用这内建电场加速电子，能大大缩短基区输运时间。当△Egb=0.2eV时，由于漂移电场的作用，将使电子渡越基区时间缩短4倍，使器件频率、开关和放大性能都有明显改善。显然可使器件频率，开关和放大性能都有明显改善。能带图见图6-4（a）

(4) 突变发射结、缓变基区HBT

和缓变发射结、缓变基区器件类似，但是此结构HBT需要考虑两个因素对注入到基区的电子的影响，其一是△EC使电子的初速度增大，其二是△Egb使电子产生速度过冲效应。能带图见图6-4（b）

（a） （b）

图 6-4 （a）缓变发射结、缓变基区HBT能带图 （b）突变发射结、缓变基区HBT能带图

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化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

6.3 其他结构HBT举例

（1）双异质结HBT

单异质结HBT中，EB结和BC结内建电压不同，器件开启需要克服EB结和BC结的电势差，使期间饱和压降增大，引入功率损耗，为了减小单异质结引入的开启电压，将单异质结HBT中的BC结也制作为异质结，形成所谓的双异质结HBT结构。

（2）倒置HBT

常规双极晶体管结构发射极在上，集电极位于器件的下方。倒置型HBT发射极位于器件下方，集电极位于器件上方，可以有效减少集电结面积，进而减少集电极电容，提高器件高速性能。同时避免了发射极长引线引入的电感，改善器件高频新能。

（3）光子HBT（HPT）

异质结光子双极晶体管结构与单异质结HBT结构近似，采用宽带隙发射区结构。特定频率入射光照射发射区时，由于其带隙较宽，对入射光子没有响应，对入射光透明，这一效应称为“窗口效应”。此时，大部分入射光可以直接透过发射结入射到集电结势垒，光子在集电结势垒发生吸收，产生电子空穴对——广生电流，器件导通。由于电压偏置，光子电流被放大，达到光电信号转换和光探测的目的。

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第八章 砷化镓微波场效应管

8.1 GaAs场效应管的工作原理 8.2 GaAs场效应管的设计方法

关键词：FET 肖特基势垒 MESFET 器件电学设计 器件结构设计

8.1 GaAs场效应管工作原理

l930年，Lilienfeld和Heil首先提出了场效应晶体管(FET)的概念。直至50 年代，在半导体材料工艺技术发展到一定水平之后，才由Decay和Ross做出了 一个可以工作的器件。此后至60年代初，场效应晶体管开始逐渐替代双极结型晶体管（BJT）。目前，FET技术在电子学领域占据着重要地位。FET器件和由其构成的集成电路可以采取多种不同的设计方法、并且可以在多种不同性质的半导体材料上实 现。因为硅材料有许多优良的特性，现在大多数FET由硅材料制成。本节要讨论的化合物半导体FET在高速、高频应用领域以及其它高温、低温、高能辐射等恶劣工作环境的应用领域中，占有很重要的地位。FET基本类型包括金属氧化物场效应管MOSFET，金属半导体场效应管MESFET。

图 8-1 HVCMOS结构示意图（CHINESE JOURNAL OF SEMICONDUCTORS，NO.5，Vol 25）

图 8-2 碳化硅MESFET结构示意图（JOURNAL of CAEIT，No.2 Vol.4）

在MESFET中，栅极金属和半导体接触构成的肖特基结起到了至关重要的控制作用，金属栅与其他的半导体材料形成的金属—半导体结具有整流特性，这种金属—半导体接触称作肖特基势垒结，这种结构形成的势垒为肖特基势垒。形成的物理机制为当金属和n型半导体靠在一起 ，两种材料之间电子就会通过交换达到一个热平衡，最终使整个结的费米能级处处相等。开始的时候，电子从金属中逃逸要比从半导体中逃逸所遇到的势垒要高。因而在达到热平衡的过程中，有净电子流从半导体流向金属，使金属带负电，半导体带正电。半导体中的正电荷是由界面处电子耗尽后剩余的一薄层带正电的施主离子所形成的。不同掺杂浓度半导体材料和金属接触平衡后形成能带图如图8-3所示，掺杂浓度越高，其势垒宽度越窄。

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化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

图8-3 不同掺杂浓度GaAs材料和金属接触能带图

GaAs MESFT是场效应晶体管家族中的重要成员。在任何FET中,电流都是在具有欧姆接触的源和漏之间流动的。第三个接触，即栅极，被容性耦合到连接源漏的器件的沟道上。栅极偏压(即施加于栅与沟道之间的电压)决定着FET沟道内自由载流子(电子和空穴)的浓度，因而控制着源－漏电流。

为了理解MESFET的工作原理．首先考虑一个有源区为均匀掺杂的器件在 源－漏电压为零时的沟道电导。最大沟道电导由式（8-1）给出：

qN D ? 0W a 式（8-1）

g0?L

其中，N为电离施主浓度(它等于电子浓度n)，μ为低场迁移率，a是沟道厚度，W和L分别是沟道的宽度和长度。

图8-4 MOSFET示意图

耗尽区宽度h为式（8-2） V GS 2 ? s (V bi ? ) 式（8-2）

h?qND

其中εs 为GaAs介电常数,Vbi为器件自建势，ND为导电沟道掺杂浓度。

以下进一步考虑，除栅压之外，再加入源—漏电压后的情况。在导电沟道中不同的点相对于栅极有不同的电位。如果漏极偏压 较小的话，耗尽区宽度随位置x的变化为式(8-3),这个方法称为缓变沟道近似（GCA）：

2 ? s [ bi ? V GS ( 式 (8-3) V? Vx )]h(x)? qND

当漏极偏压达到一定值,导电沟道宽度和耗尽区宽度一致时，在栅极近漏端导电沟道被夹断,

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化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

此时缓变沟道近似模型失效,此时器件电子迁移率和饱和电场关系可以用图8-5的分段近似来描述：

图 8-5 MESFET器件电子漂移速度和电场关系图

所以，当VDS小于饱和电压时，根据缓变沟道近似方法 dx 式（8-4） dV?Id*dR?IdqNDW[a?h(x)]

将式（8-3）代入式（8-4）并对x从0到L进行积分得到漏极电流为式（8-5）所示： 33??2[(VDS?Vbi?VGS)2?(Vbi?VGS)2]?? I d ? g 0 ? V ? ? 式（8-5） DS3VP?? ??当VDS大于饱和电压，电子漂移速度趋于饱和，漏极电流为式（8-6）：

式（8-6）

Isat?qNDbsWvs

8.2 GaAs MESFET的设计

器件设计工作的任务是：在给定输出功率、增益、效率等 技术指标的情况下，通过理论分析计算和经验规范求得FET的纵向结构参数(如有源层、缓冲层浓度分布剖面)、横向结构参数(如栅长、栅指长、栅宽、胞数、接地构造等)，为此须对器件进行电学设计、结构设计、可靠性设计。

MESFET电学设计

假定MESFET的饱和输出功率为给定值Po，截止频率fT，根据经验公式和相关理论推导可以计算器件栅长、掺杂浓度等相关参数，如下列公式所示：

If

Po?(V?Vsat)(??sin?cos?) 2 ? (1 ? ) DS 式（8-7） ? cos12 ? 式（8-8）

I?2.2?10?NDaWIf??NDqvsataWf

fT?

?V1? 式（8-9） 2??2?l2MESFET结构设计包括材料结构设计和器件版图结构设计。GaAs MESFET材料结构设计使用半导体材料制作手段，GaAsFET的有源层长在符合要求的半绝缘GaAs抛光片上，

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生长有源层的方法包括气相外延(VPE)、液相外延(LPE)、金属有机物化学气相淀积(MOCVD)、分子束外延(MBE) 、离子注入等。不同的材料生长方法所产生的浓度分布结果也不尽相同，例如离 子注入与MBE生长出来的浓度剖面分布有很大的差异．但是，大 致上剖面可归为四层、三层、二层结构等几类： 四层结构：cap层/有源层/过渡区/缓冲层 三层结构：cap层/有源层/缓冲层 二层结构：有源层/缓冲层

单层结构：离子注入，形成有源层

图 8-6 典型GaAs FET四层材料结构及各层载流子分布示意图

得到器件材料结构后需要根据电学设计参数得到的栅长等参数对其MESFET材料加工制作，利用版图设计定义器件的形状、尺寸等参数，利用半导体工艺进行加工制作。

GaAsFET进行可靠性设计首先要确定额定值条件下的失效率指标，并 对FET失效模式进行实验和理论研究，通过可靠性研究明确失效 模式发生的概率和机理，按危害度和失效概率大小采取有效的质 量保证措施或工艺技术消除一些失效因素或者延统一些失效过 程．从而满足失效率要求． 对FET要全面考虑力学环境、低气压环境、湿度环境、温度环 境、热冲击、辐射环境、电冲击，热电应力退化等诸方面产生的可靠性问题。不同可靠性问题具有不同的分析方法，例如：

击穿和烧毁问题通常由电场不均匀分布引起的。场分布与有源层浓度、厚度、栅长、栅源 距离、栅偏置、漏偏置、栅区(源漏之间的区域)形状、缓冲层、衬底、 介质、表面杂质、缺陷、栅金属等多方面因素相关，十分复杂，因而 无统一的模式。

引起缓变退化和漏电问题的因素和缓变退化的机理也是比较复杂的问题，日前的倾向是从表现模式上分类和作定性物理分析．它的主要模式有：欧姆接触电阻增大、栅泄电流增大、源漏电流减小、夹断 电压减小、微波增益和功率特性退化等。

辐射可靠性问题可以从辐射效应本质出发进行分析，辐射基本上分为两类：位移效应和电离效应。电离效应是辐射粒子把能量传给电子，使之脱离原来轨道，成为散射电子，散 射电子再产生二次电子，它们都产生噪声，影响是暂时的。位移效应是人射粒子和原子核发生碰撞产生的，是一个长期累积的过程，它造成材料缺陷，使迁移率下降，造成陷阱，在禁带中产生新的能级，使器件失效。

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第九章 GaAs FET制作工艺 关键词：

光刻PECVD RIE 电子束蒸发

9.1 GaAsFET制作工艺

9.1.1 图形光刻技术

光刻工艺是GaAs FET的关键工艺，是微细加工和提高成品率的中心环节，隔离区和台

＋

面形成、欧姆接触、n腐蚀和挖槽、肖持基势垒、钝化区和电镀窗口、空气桥、背面孔、划片道等都要由光刻技术限定图形。光刻有两个相辅相成的环节：曝光机的高清晰度、高分辨率；光致抗蚀剂和显影等光刻工序的高保真度、高分辨率。 传统曝光方式分为接触式曝光、接近式曝光和投影式曝光。

图9-1 光刻设备－接触式曝光机

图9-1为不同型号的接触式曝光机，适用于小批量试制和实验室研究工作，图形边缘传递性良好，设备价格较低。接触式光刻机也存在一些缺点，如：在掩膜版和晶圆上的图形对准时存在空隙，对准后需要将晶圆与掩膜版接触，存在位移，产生对准错位。晶圆上的光刻抗蚀剂也会污染掩膜版，影响后续图形制作。曝光效率也比较低，不适合大规模器件生产。

图9-2 ASML沉浸式投影光刻机

图9-2为液浸式投影光刻机和其结构示意图，利用光学系统在晶圆上投影步进完成光刻，设备造价昂贵，但生产效率较高，适用于大规模生产。

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