第五章化合物半导体器件

1、第五章化合物半导体器件5.1 化合物半导体的物理性质1 化合物半导体晶体结构 黄铜矿晶格结构 5.1 化合物半导体的物理性质2 晶格常数 禁带宽度与半导体摩尔质量之间的关系 5.1 化合物半导体的物理性质3 光学性质 图5.5 直接跃迁和间接跃迁图5.6 人眼对各种半导体材料所发射出不同波长光的敏感度 5.1 化合物半导体的物理性质4 电学特性 表5.4 各种半导体材料的有效质量和迁移率 材料有效质量迁移率me*mph*mpl*ehSi0.260.550.241350475Ge0.560.3738001900-GaP0.120.860.14200120GaAs0.0650.450.082850

2、0420GaSb0.0490.330.05677001400InP0.0770.560.126060150InAs0.0270.410.02433000460-ZnS0.281.41405ZnSe0.170.753028ZnTe0.1220.420.173401105.1 化合物半导体的物理性质4 电学特性 表5.5 半导体中常见的散射机制晶格散射声学波光子变形势垒散射压电散射光学波光子极化光学散射非极化光学散射杂质和缺陷散射离子化杂质散射中性杂质散射缺陷散射合金散射5.1 化合物半导体的物理性质4 电学特性 图5.7 GaAs各种散射机制下的迁移率 5.2 GaAs MESFET n与硅基M

3、OSFET器件性能相比，GaAs MESFET器件的性能有了很显著的提高，这主要是材料的特性所造成的。 qGaAs的导带电子的迁移率是是Si的6倍，峰值迁移速率是Si的2倍； q器件的有源层是生长在半绝缘的GaAs衬底上的，GaAs的电阻率高达107cm。而与此相对比，本征Si的典型电阻率为30cm。qGaAs的少子寿命短 。 低的寄生电阻，较大的跨导，以及较短的电子渡越时间 低的寄生电容 很好的抗辐照能力 5.2 GaAs MESFET 1 基本结构 它是在半绝缘的GaAs衬底上外延生长一层GaAs作为有源层，并在该层上生长一层金属形成肖特基势垒，再引出栅极（G），并在栅极两侧形成欧姆接触作

4、为源极（S）和漏极（D）。源漏之间的导电层构成了沟道，沟道电阻由栅源电压Vgs进行调节。半导体-金属栅极接触在MESFET沟道中产生了一个耗尽区，该耗尽区的厚度依赖于栅源电压Vgs。 2 直流特性 MESFET与JFET相似，差别在于（1）它有单栅极，（2）栅极由金属-半导体结形成。 其源极和漏极之间的晶体管电流主要受栅极控制。栅偏置对栅区下方的耗尽层宽度进行调制，以改变沟道开口。分析可知，如果沿沟道的电势变化比垂直于沟道的小（相当于L），则可使用渐变沟道近似，在该近似下可应用一维解处理。 5.2 GaAs MESFET ( )chchDdI dxdVI dRq N W AA x1/22( )

5、( )dbiGDA xV xVVqN2 直流特性5.2 GaAs MESFET FET晶体管的基本方程 3/23/201/223ibiGbiGchipVVVVVIgVV根据肖特基模型，电流饱和发生在导电沟道在漏极一侧夹断时。 3/201/21233SbiGchpobiGsatpVVIgVVVV2 直流特性5.2 GaAs MESFET 2Dp2qN AV夹断电压 阈值电压 TbiPVVV定性上讲，若漏极偏置高于VD，sat，夹断点开始向源极移动。但是，夹断点的电势始终保持为VD，sat，而与VD无关。因此漂移区内的电场保持恒定不变，从而引起电流饱和。实际表明，Isat并不随VD完全饱和，这是由

6、于源区和夹断点之间的有效沟道长度减小的缘故。 D,satGTVVV3/201/21233SbiGchpobiGsatpVVIgVVVV2 直流特性p 以上分析都是基于假设为迁移率模式。p 在短沟道器件（L100，则Eg应当等于或大于，这对应于宽禁带AlGaAs（如AlAs的含量占22%）发射极。 2 HBT器件的直流特性 5.3 异质结双极型晶体管 由于HBT的发射极注入效率很高，电流增益基本上等于基区因子。 对于n-p+-n HBT nB基区电子寿命 基区渡越时间 基区均匀掺杂，由扩散控制 2/2BBWD基区缓变，由漂移控制 /BBnW 为了获得高的电流增益，B就要求尽可能的小。 2 HBT

7、器件的直流特性一般来说，单异质结AlGaAs/GaAs HBT的集电极电流和基极电流的表达式与硅基BJT器件的类似。 5.3 异质结双极型晶体管 集电极电流 20exp/( )BnieBEBCWqD nqVk TJp x dxGummel数：集电极电流大，则需要Gummel数小，即基区宽度窄。 2 HBT器件的直流特性 5.3 异质结双极型晶体管 基极电流远比硅基BJT器件的复杂。 一般来说，HBT基区电流可能包含四项：（1）基区的复合电流，（2）发射结空间电荷区的复合电流，（3）发射区的复合电流，（4）环路电流。 exp/BBEBIqVnk Tn为二极管的理想化因子，其值在1-2之间。当基区

8、电流主要是基区复合电流时，n值接近于1，电流增益为常数。如果基区电流主要是发射结空间电荷区的复合电流时，此时n=2，电流增益随IC的增加而增加，随温度的升高而减小。如果是以发射区的复合电流为主时，n=1，电流增益随温度的升高而减小。 2 HBT器件的直流特性 5.3 异质结双极型晶体管 exp/BBEBIqVnk T图示出了电流增益与集电极电流之间的关系。结果表明，在集电极电流很大（如IC10mA）时，电流增益大于100。 3 HBT器件的高频特性 5.3 异质结双极型晶体管 截止频率fT是一个非常重要的品质因子。 12ECBTCTf4(0)BEeTEDETEEk Tr CCCqICccTCr

9、 C22BBBnnWWDcTCsx发射极电容充电时间 集电极充放电时间 有效基区渡越时间 载流子渡越集电极-基极的时间 3 HBT器件的高频特性 5.3 异质结双极型晶体管 HBT的功率增益 28TbbTCfGf r C说明：功率增益与截至频率成正比，与基区寄生电阻和集电极-基极结电容成反比。GaAs的电子迁移率高可以降低B和rcc，同时又使得截至频率和功率增益增加。当AlGaAs/GaAs HBT的发射极宽度为时，器件的截止频率可高达75GHz。 5.4 HEMT1 HEMT器件结构 AlGaAs/GaAs HEMT的截面结构与能带结构 5.4 HEMT 值得注意的是，由电子积累层在未掺杂G

10、aAs沟道中所形成的电场强度非常强，达到了107V/m量级，因此，该电场就将电子限制在一个非常窄的近似三角形的凹槽中，离界面处的距离为15-20nm。 这一尺寸与电子的波长相当，就会导致在与界面垂直的方向上出现电子动量的量子化，于是电子就只能在二维空间中运动。 正是因为这个原因，电子积累层通常被称为二维电子气（2DEG）。 5.4 HEMT2 直流特性 HEMT器件的输出特性 与MESFET器件输出曲线非常相似，同样也有线性区和饱和区。 在线性区 2dsdsDVIqnWs在饱和区 2dsDeffIqnW5.4 HEMT2 直流特性 阈值电压 CTbnPEVVq夹断电压 d2DdPD0ss( )

11、2xqN xqVNy ydy跨导 effdsmgsIgWVh截止频率 m,satTopar2 ()gfWLCC5.4 HEMT3 射频特性运用等效电路模型，总的延迟时间可表示成 12totalTfintpadfringerinsicdrain焊盘延迟时间 叉指电容引起的延迟时间 漏极延迟时间 padpadmCg W漏极延迟在之间，与栅长无关。 fringefringemoCg典型值:0.1-0.2ps 本征延迟时间 本征延迟分为：栅极下电子的瞬态延迟时间（ttransit）和沟道充电时间（tcc） 。瞬态延迟是W/IDS=0处的线性外延延迟时间，沟道充电延迟时间是本征延迟时间与瞬态延迟时间的差

12、值。 5.4 HEMT3 射频特性沟道充电延迟时间在低漏极偏置条件下影响非常显著，如低噪声放大器。但在漏极电流大的应用下是可以忽略的。除此之外，所有的寄生延迟对漏极电流的变化都十分的敏感，在漏极电流较低时，都会随着电流的增加而增大。基于InP的HEMT器件与GaAs赝HEMT器件的非本征跨导与阈值电压的关系图。5.4 HEMT3 射频特性本征FET器件的四个噪声参数 2mTgsgfC22mingsagsTdsdr TfFrfg T222min22ds gsadgsdsads gsdTTTfffTg r T TrgTg r Tfff20dsdnTg TfgfT5.4 HEMT4 当代HEMT技术

13、 1)赝GaAs HEMT 2)双异质结GaAs HEMT3)晶格匹配赝InP HEMT4)形变GaAs HEMT 5.5 半导体光源 半导体光电器件，即半导体光源和半导体光电探测器，这些器件主要是用化合物半导体来制备的，这主要是基于以下两个方面的原因： 一是大部分化合物半导体是直接跃迁半导体，其光电转化效率高； 其次，化合物半导体材料禁带宽度有一个较大的变化范围。 未来化合物半导体光子器件可用来构建光电集成电路和光学计算机 半导体光源是将输入的电能转化为光能的器件，其机理是电致发光，即在一定的偏置下，由通过器件的电流产生光的现象。 LED（发光二极管） LD（激光二极管）5.5.1 LD1

14、LD原理图5.32 基于GaAs的DH结构激光二极管。 典型的基于GaAs DH结构的激光二极管如图（a）所示。载流子被限制在n-GaAlAs和p-GaAlAs之间，这是由于两者之间的带隙宽度不同所造成的。载流子在GaAs层中会发生有效的复合，如图5.32(b)所示。所发出的光被限制在一个薄层中，这是由于各层的光学折射率不同所造成的，见图5.32(c)。 5.5.1 LD1 LD原理图5.33 能级结构和光的吸收、光的发射示意图如图（a）所示，当电子与空穴复合，会发生自发辐射。当光子被半导体结构吸收时，电子则被激发到导带，于是便产生了电子-空穴对，如图（b）所示。当这一激发到导带的电子发生自发

15、复合，就会产生受激辐射产生激光，如图（c）所示。 5.5.1 LD2 LD阈值电流 发生激光的光强是注入电流的函数，两者间的关系见图。当电流很小的时候，自发辐射是主要的发光模式，这种类型的发光常见于LED器件。当电流超过阈值电流时，就会产生激光。 5.5.1 LD3 LD分类 根据波长的不同，可将激光二极管分为三种类型，红外LD、可见光LD、长波长LD。在图中，可看到各种材料可能的波长。 图5.35 各种材料可能的激光波长 5.5.2 LED1 红外LED 图5.36 红外InP基LED 玻璃光纤通信主要使用红外LD和探测器。对于非常短距离的通信，有必要采用低成本的发光器件，如基于GaAs的波

16、长范围为的红外LED、和基于InP的波长为的红外LED。光纤通信对光源性能的要求是高亮度和高响应速度。高亮度可采用DH结构来获得，高响应速度可采用高掺杂浓度以减小载流子的寿命来实现。 5.5.2 LED2 可见光LED (1)红光LED 基于GaAs 基于GaAsP 基于DH-GaAlAs 5.5.2 LED2 可见光LED (2)黄光和橙色光LED GaAsP的禁带宽度可以通过调节组分来改变，其发射的波长范围可由红光变到黄光。在GaP衬底上外延生长所需组分的GaAsP，就可制作出黄光和橙色光LED 5.5.2 LED2 可见光LED (3)绿光LED 基于N掺杂的GaP的黄绿光LED ZnT

17、e材料制作纯的绿光LED GaAs外延ZnSe结构的蓝绿光LED 基于GaN的蓝绿光LED 5.5.2 LED2 可见光LED (4)蓝光LED 基于SiC 基于GaN 5.5.2 LED3 紫外LED紫外LED非常重要，它不仅是可用于白光LED的光源，而且还有其他各种用途，诸如气体分解，除臭，验钞等。近紫外（NUV）LED可用InGaN基材料作为发射层极紫外LED则可采用Al(In)GaN基材料作为发射层 多量子阱（MQW）有源层的极紫外LED结构 5.5.3 半导体激光器1 激光振荡原理产生激光要的条件除了粒子数反转外，还需要：谐振腔谐振腔：能起到光反馈作用，形成激光振荡；形成形式多样，最

18、简单的是法布里帕罗谐振腔。还必须满足阈值条件阈值条件：也就是增益要大于总的损耗。F-P腔 intmirg5.5.3 半导体激光器2 结构激光器在结构上的另一个独特性是，要求光的输出方向上具有光学谐振腔。这意味着形成谐振腔的两个垂直面应该完全垂直于结，且必须象镜面一样的平滑，具有最佳反射性。这可以通过腐蚀、抛光或最通用的自然解理来实现。法布里-珀罗反射镜之一能够全反射，使光只从一端射出。平行于激光输出的反射镜表面粗糙到能产生强烈吸收，以防止横向上的激光振荡。为了限制横向光输出，可使用条形几何结构。 5.5.3 半导体激光器2 结构上面所提到的激光需要加以限制和导波，这就需要光波导结构。光波导利用

19、了光在不同折射率的介质中传播时发生的全反射现象。这样就可以将光限制在高折射率介质中。5.5.3 半导体激光器2 结构图5.46 三种典型结构的半导体激光器 5.5.3 半导体激光器3 特性激光器的功率效率 intthoutmirPmirIIPhVIqVI阈值电流密度的温度特性 0/0T TththJJe图5.47 在不同温度条件下，埋层结构的异质结激光器的L-I曲线。 5.6 半导体光电探测器在半导体光电探测器中，其所吸收的光子所具有的能量大于或等于Eg 入射光所产生的光电流 pinIRP探测器的量子效率定义为一定数量的入射光子所产生的空穴-电子对的数量 /pinIqhRPhq1wabsinP

20、eP 5.6.1 光电导探测器特性入射光子的能量高于半导体Eg，半导体电导率随之增加。被半导体所吸收的光会产生空穴-电子对，这会导致电导率的增加。在外加电场的作用下，所产生的空穴和电子在复合前被分离，且在相应的电极上进行复合。 暗电流 npVIqab npL光电流 ,phntr nq PIIth 增益 2,()nptr nVGLt 5.6.1 光电导探测器 增益随、V和1/L2而增加。在实际器件中，容易得到约为1000的增益。为了使增益最大，偏置应该较高，但通常受到击穿机理和空间电荷的限制。工作电压可以从数伏变化到数百伏。载流子寿命应该长，但是又会降低器件的关断速度。在速度是重要因素的应用中，

21、通过有意引入复合中心，可人为地缩短寿命，但以降低增益和灵敏度为代价。响应时间约为1ps的超高速光电导元件已有报道。实际应用中，光源不是单色的，并且在半导体中的吸收并不均匀，而是随距离表面的深度变化。5.6.2 p-i-n光电二极管 p-n型光电二极管半导体反偏pn结的耗尽层引起空穴和电子的分离。当光子进入该器件，则会产生空穴-电子对。耗尽层的电场足够高以便可以分离空穴和电子，且把这些载流子送到各自主要载流子区域。5.6.2 p-i-n光电二极管 p-i-n型光电二极管替换简单pn结结构的探测器的是p-i-n结构，区域“i”是指本征层，或是p-层，或是n-层。在这一器件中，在没有偏压或是负偏压的情况下，耗尽层会延伸到整个i区。通常顶部的p+