微电子器件(5-1)[1].ppt

,第 5 章 半导体异质结器件,由两种不同材料所构成的结就是异质结。如果这两种材料都是半导体，则称为半导体异质结；如果这两种材料是金属和半导体，则称为金属-半导体接触，这包括Schottky结和欧姆接触。,材料1,材料2,半导体异质结可根据界面情况分成三种 晶格匹配突变异质结；当两种半导体的晶格常数近似相等时，即可认为构成了第一种异质结，这里所产生的界面能级很少，可以忽略不计。 晶格不匹配异质结；当晶格常数不等的两种半导体构成异质结时，可以认为在晶格失配所产生的附加能级均集中在界面上，而形成所谓界面态，这就是第二种异质结。 合金界面异质结。第三种异质结的界面认为是具有一点宽度的合金层，则界面的禁带宽度将缓慢变化，这时界面能级的影响也可以忽略。,5.1.1 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。 不考虑界面处的能带弯曲作用时的几种典型的能带突变形式,两种材料禁带交叉的情况Ec=EC1-EC20 Ev=EV2-EV10, EG=EG1-EG2=EC+EV；,两种材料禁带错开的情况 EC0 EV0 EG=EG1-EG2=EC+EV；,禁带没有交接部分的情况 EC0 EV0 EG=EG1-EG2=EC+EV。,能带突变的应用例子： （a）产生热电子 （b）使电子发生反射的势垒 （c）提供一定厚度和高度的势垒 （d）造成一点深度和宽度的势阱。,不考虑界面态时，突变反型异质结能带图。 突变异质结是指从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生在几个原子距离范围内的半导体异质结。,在未形成异质结前，p型半导体费米能级与n型半导体费米能级不在同一水平,当紧密接触形成异质结时，电子将从n型半导体流向p型半导体，同时空穴在于电子相反的方向流动，直至两块半导体的费米能级处于同一能级，形成异质结。,两块半导体材料交界处形成空间电荷区（即势垒区或耗尽层），n型半导体为正空间电荷区，p型半导体一边为负空间电荷区，因不考虑界面态，势垒区中正空间电荷数等于负空间电荷数。,能带发生了弯曲。n型半导体的导带底和价带顶的弯曲量为qVD2，而导带底在交界面处形成一向上的“尖峰”。P型半导体的导带底和价带顶的弯曲量为qVD1，而导带底在交界面处形成一向下的“凹口”；能带在交界面处不连续，有一个突变。,两种半导体的导带底在交界面处的突变量为,价带顶的突变量为,由此有,两种半导体形成异质结后，其内建电势为：,运用同质结一样的耗尽层近似，可以得出内建电势在P型区和N型区中的分量：,在反向偏压或小正向偏压（VVbi）情形，P型区和N型区中的耗尽层宽度公司与同质结相同，分别是,耗尽层电容,对突变同型异质结的能带图分析，下左图为n型的两种不同半导体材料形成异质结之前的平衡能带图，右图为形成异质结之后的平衡能带图。当两种半导体材料紧密接触形成异质结时，由于禁带宽度大的n型半导体的费米能级比禁带宽度小的高，所以电子将从前者向后者流动，在禁带宽度小的n型半导体一边形成电子积累层，另一边形成耗尽层。,同理，可得突变同型异质结的能带图,5.1.2 半导体异质结伏安特性,PN同质结的正向电流均以扩散电流为主，伏安特性表达式为：,在P-N异质结中既有电子势垒又有电子势阱，但当势垒高度和势阱深度不相同时，异质结的导电机制也有所不同，所以把这种异质结分为负反向势垒和正反向势垒。,不同能带形式,不同的传输机理,不同伏安特性,负反向势垒P-N异质结低势垒尖峰异质结，是势垒尖峰顶低于P区导带底的异质结。N区扩散向结处的电子流通过发射机制越过尖峰势垒进入P区，此类异质结的电子流主要由扩散机制决定。,正反向势垒PN异质结高势垒尖峰异质结，是势垒尖峰顶高于P区导带底的异质结。N区扩散向结处的电子中高于势垒尖峰的部分电子通过发射机制进入P区，此类异质结电流主要由电子发射机制决定。,从N型区导带底到P型区导带底的势垒高度是,P型半导体中的少数载流子浓度n10与N型半导体中的多子浓度n20的关系是,n1（-x1）与n20的关系为,在稳定情况下，P型区半导体中注入的少子的运动连续性方程是,其通解是,应用边界条件,从而求得电子的扩散电流密度,外加电压V时，通过异质PN结的总电流密度是,能带图的不连续有助于从较大的禁带材料注入多数载流子而不论其掺杂密度如何。这也是异质结双极晶体管的基础。,如果n20和p10在同一个数量级上，则可得,5.2 高电子迁移率晶体管(HEMT),Modulation Doped Field Effect Transistor, MODFET,Two Dimensional Electron Gas Field Effect Transistor, 2DEGFET,High Electron Molibity Transistor, HEMT,1、在GaAs衬底上采用MBE（分子束外延）等技术连续生长出高纯度的GaAs层和n型AlGaAs层； 2、然后进行台面腐蚀以隔离有源区；,5.2.1 HEMT的基本结构,制作步骤：,接着制作AuGe/Au的源、漏欧姆接触电极，并通过反应等离子选择腐蚀去除栅极区上面的n型GaAs层； 最后在n型AlGaAs 表面积淀Ti/Pt/Au栅电极。,3、,4、,一般该隔离层厚度取为710nm。既能保证高的2-DEG的面密度，又可降低杂质中心的Coulomb散射,为了完全隔开杂质中心和2-DEG，往往在N型AlGaAs层与未掺杂GaAs层之间放一层未掺杂的AlGaAs隔离层，这样可以在很大程度上提高2-DEG的迁移率,5.2.2 HEMT的工作原理,HEMT是通过栅极下面的肖特基势垒来控制GaAs/AlGaAs异质结的2-DEG的浓度而实现控制电流的。,由于肖特基势垒的作用和电子向未掺杂的GaAs层转移，栅极下面的N型AlGaAs层将被完全耗尽。,转移到未掺杂GaAs层中的电子在异质结的三角形势阱中即该层表面约10nm范围内形成2-DEG；这些2-DEG与处在AlGaAs层中的杂质中心在空间上是分离的，不受电离杂质散射的影响，所以迁移率较高。,栅电压可以控制三角型势阱的深度和宽度，从而可以改变2-DEG的浓度，以达到控制HEMT电流的目的。属于耗尽型工作模式。,减薄N型AlGaAs层的厚度，或减小该层的浓度，那么在Schottky势垒的作用下，三角型势阱中的电子将被全部吸干，在栅电压为零时尚不足以在未掺杂的AlGaAs层中形成2-DEG，只有当栅电压为正时才能形成2-DEG，则这时的HEMT属于增强型工作模式。,N型AlxGa1-xAs层的厚度越小，可降低串联电阻，但太小会产生寄生沟道，通常取3560nm。,N型AlxGa1-xAs层的组分x越大，禁带宽度越大，导带突变增大，可增大2-DEG浓度，但组分x太大时，晶体的缺陷增加 ，一般取x=0.3。,如果AlGaAs/GaAs异质结中存在缓变层，缓变层厚度WGR的增大将使2-DEG的势阱增宽，使势阱中电子的子能带降低，从而确定的Fermi能级下，2-DEG的浓度增大；但是，WGR的增大，使异质结的高度降低，又将使2-DEG的浓度减小。,存在一个最佳的缓变层厚度，使2-DEG的浓度最大。对于不存在隔离层N-Al0.37Ga0.63As/GaAs异质结，计算给出2-DEG的浓度ns与AlGaAs中掺杂浓度ND和缓变层厚度WGR的关系如下所示。,5.2.3 异质结界面的二维电子气,在掺杂GaAlAs和未掺杂的GaAs层组成的异质结上，将在界面形成导带势阱和二维电子气。,在垂直于界面方向，电子运动是量子化的，,基于有效质量近似，二维电子气中电子的运动可由波包函数描述,i表示第i个子带，则波函数满足薛定谔方程：,势能可由如下的泊松方程求解,空间电荷密度由界面电子浓度和GaAs掺杂决定,GaAs中的电子可以近似看作处在一个三角形势阱中，因为表面电场Fs近似是恒定的，在z0一边耗尽层电荷形成一个线性电势分布：,求解得出其薛定谔方程特征函数是Airy 函数，也可以求出表面载流子浓度与费米能级的函数关系，相应的子带能级为,由高斯定律，表面电场Fs与表面载流子密度ns之间存在以下关系,可以简化为,在大多数实际情况下，仅考虑最低两个能级,二维电子气态密度D可以通过实验测得,突变异质结构不同隔离层厚度di 情况下二维电子气密度与GaAlAs掺杂浓度的关系,缓变异质结构在不同未掺杂GaAlAs隔离层厚度di 情况下二维电子气密度与GaAlAs掺杂浓度的关系 （实线对应于WGR=3nm,虚线对应于WGR=0nm）,5.2.4 HEMT的直流特性,通过分离电子和电离了的施主杂质，可以使杂质散射效应降低，提高迁移率。增加一个未掺杂的AlGaAs的薄层隔层可以进一步加大电子和电离杂质的分离。,HEMT的能带结构,势阱中的2-DEG密度受限于栅极电压。当在栅极加足够大的负电压时，肖特基栅极中的电场使势阱中的二维电子气层耗尽。,金属-AlGaAs-GaAs结构在零偏及反偏的能带图。,负栅压将降低二维电子气的浓度，正栅压将使二维电子气的浓度增加。二维电子气的浓度随栅压增加，直到GaAlAs的导带与电子气的费米能级交叠为止。如下图：,肖特基势垒和异质结势垒分别使AlGaAs层的两个表面耗尽。,在理想情况下，设计器件时应该使这两个耗尽区交叠，这样就可以避免电子通过AlGaAs层导电。,HEMT的电流与电压关系,qM 是栅极的Schottky势垒高度,平带电压是,HEMT的平衡情况的能带图和平带情况的能带图 ，由图可得,阈值电压,电荷控制模型可知，2-DEG的浓度ns与栅电压Vg关系是,ns与 VG基本上成正比关系。所以可知，HEMT就是依据栅电压控制沟道中2-DEG的浓度来工作的。,采用缓变沟道近似，则漏极电流沿沟道的分布可以表示为,假定电子迁移率n恒定，同过积分，则得到漏极电流：,VDS较小时可以得到线性关系为,VDS较大时漏极电流将达到饱和,沟道较短时，还须计入电子漂移速度vd和电场的关系。强电场下，器件的性能被电子的饱和速度vdsat所限制。由此，可以求出饱和电流IDS的表达式：,当 VT 0时,当= m时,可以得出,下图中，虚线是计算结果，实线是测量结果。可见，在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。即,5.2.7 HEMT的频率特性,由于HEMT中通过调变掺杂方式大大降低了电离杂质散射，2-DEG所遭受的散射机构，主要是光学波声子散射；表面粗糙度散射很小，可忽略。,Hall效应测量表明，2-DEG的浓度ns与栅电压VG成正比。此外，电子迁移率与栅电压关系如下：,（k为0.52.0的常数）,故有,在HEMT工作栅压变化范围，迁移率变化保持在30%之内。故在讨论器件工作特性时可假定为恒定值。,电子漂移速度与电场的关系,如图，迁移率作为电场的函数，随着温度T的升高是下降的，在300K时几乎与电场无关，而在低温、特别是在低电场时，迁移率随电场下降得很快（由于这时迁移率很高，电子迅速被“加热”而发射出极性光学波声子的缘故）。,说明HEMT工作于高电场区时，已不能体现2-DEG的优点。,在GaAs/AlxGa1-xAs异质结中的2-DEG的迁移率，不仅与温度T有关，还与2-DEG浓度和组分x强烈相关，除此之外，还与异质结中的本征AlGaAs隔离层厚度d有关。,图为2-DEG和3-DEG在不同温度下的速场特性关系曲线,高电场下，无论高温还是低温，2-DEG的速度总是大于3-DEG。另外，电场越小，温度对速度的影响越大，因而长沟道HEMT更适合降低温度来提高性能。,对短沟HEMT，决定器件性能的因素往往不是低电场时的迁移率，而是高电场时的饱和速度 vdsat,漏极电流饱和是由于在漏端沟道内电子速度达到饱和。此时，漏端栅下GaAs层内将出现电子积累，在此区域附近电场将集中，漏极电压的大部分将降落在这个很窄的范围内。在此狭窄范围，速度过冲效应明显。,图为电子速度与电场的关系,图为电子速度与电场作用时间的关系,HEMT的特征频率fT是使最大输出电流与输入电流相等，即最大电流增益下降到1时的频率。即截止频率fT定义为输入电流Ii等于本征晶体管理想输出电流gmVGS时的频率。,输出短路时,所以截止频率为,对饱和电流区和VGVT的工作区,（短栅）,或者,（长栅）,故fT可表示为,（短栅）,（长栅）,所以，对短栅情形，提高最高工作频率的措施是缩短沟道长度L 对长栅情形，提高高工作频率的措施也包括缩短沟道长度L，提高载流子迁移率，提高栅极电压，减小截止电压。,HEMT的最高震荡频率fmax是指最大功率增益下降到1时的频率,其中,5.3异质结双极晶体管(HBT),5.3.1 HBT的基础理论,常规BJT难以同时兼顾高频与放大性能，原因如下：,发射结注人效率降低和载流子渡越基区的时间增长,放大系数和频率特性下降,异质结双极晶体管(Heterojunction Bipolar TransistorHBT),异质结的中心设计原理是利用半导体材料禁带宽度的变化及其作用于电子和空穴上的电场力来控制载流子的分布和流动。因而使之具有许多同质结所没有的优越性。,HBT是由禁带宽度较大(大于基区的禁带宽度)的半导体作为发射区的一种BJT，即采用异质发射结的双极型晶体管。这种异质发射结注入电子的效率很高(1)，因为空穴的反向注入几乎完全被额外的一个空穴势垒阻挡，即发射结的注入效率主要由结两边禁带宽度的差异所造成的一个额外的空穴势垒(高度为Ev)决定，而与发射区和基区的掺杂浓度基本上无关。因此，HBT可以在保持较高的发射结注入效率的前提下，容许提高基区的掺杂浓度和降低发射区的掺杂浓度，从而使器件的基区宽度调制效应得以减弱(可得到较高的Early电压)、基极电阻减小、大注入效应减弱、发射结势垒电容减小、发射区禁带宽度变窄效应消失，并可通过减薄基区宽度大大缩短基区渡越时间，所以能够实现超高频、超高速和低噪声的性能，从而提供最大的Early电压值，有利于微波应用。采用V族化合物半导体制作的HBT，就是最早进入毫米波领域应用的一种三端有源器件。,根据异质结界面过渡区材料组分的变化情况可以将其分为突变异质结和缓变异质结。突变异质结的过渡区很薄，通常只有数十或几个，缓变异质结则有比较宽的过渡区通常有数百。其宽度可通过工艺方法和工艺方条件来控制。,（a）是突变发射结的情况，其基区均匀，无加速场,（b）是缓变发射结的情况，基区无加速场,（c）是缓变发射区、缓变基区，有加速场,（d）是突变发射结、缓变基区，存在加速场,异质结双极晶体管，其宽禁带发射区、窄禁带基区构成的发射结一定是异质结，集电结可以是异质结，也可以是同质结。其基本结构及工作原理和普通同质结双极晶体管大致相同。,当双极晶体管的发射结加上正向偏压VEB，集电结加有反向偏压VCB，则其共射极电流放大系数可表示如下,因,而,为发射系数，,为发射系数， * 是基区输运系数。,而,由于HBT基区宽度为亚微米或更小，故可假定基区输运系数 为1,忽略基区体复合电流；若同时忽略势垒复合流，则只由决定，其最大可能值为：,故有发射结的注入比 ：,因为,且,假定,得到,其中,因而得到,对于同质结，EG=0，一般是通过提高发射效率，增加发射区和基区的掺杂浓度比NE/NB来提高电流增益为此，一般要求NE/NB 102。,而异质结中，只要EG 0。 max就能达到很大值，而与NE/NB关系不大。所以，HBT中通过采用宽带隙发射区，打破了普通同质结双极晶体管的局限性，克服了其增益与速度之间的固有矛盾。,下图是同质结双极晶体管与HBT的杂质浓度分布的比较。为了得到高的注入效率，同质结双极晶体管的发射区为高掺杂,基区的掺杂浓度比发射区低两个数量级。而对HBT而言，由于能带结构带来的高注入比优势，发射区掺杂浓度低于基区掺杂浓度，使得 HBT 体现了高速高增益的特性。,采用MBE或MOCVD制作的AlGaAs/GaAs HBT结构示意图,5.3.2、能带结构与HBT性能的关系,对于突变发射结晶体管，发射区低掺杂，大部分电势将降落在发射区上（qVD2），能带图上形成尖峰；小部分电势降落在基区，形成凹口 （qVD1）,该凹口势阱将收集注入的电子，增加复合损失，产生放大系数下降等不良结果。可以通过MBE在界面生成高受主浓度的薄层电荷填补该势阱,而对于势垒本身而言，其不良影响之一是使得到同样电流，发射极偏压将增大，极大地降低了发射系数。因为此时，发射区电子穿过发射极所越过的势垒比缓变发射极小了，而基区空穴穿过发射极所越过的势垒没有变化，相当于发射区与基区的带隙宽度差EG减小EC了，约为EV 。,对于发射结，有,电子要从发射区注入到基区，须克服的势垒为,空穴要从基区注入到发射区须克服的势垒则为,故有,而对于缓变发射结，电子注入要克服的势垒为,而空穴所克服的势垒不变，故有,也就是说，发射结为缓变异质结的较之突变异质结的大，这是由于EC 、 EC共同 影响的结果,对突变异质结而言，价带断续大的发射结则对增益有利。,突变发射结的优势是使注入到基区的电子具有附加的动能，使其达到很高的速度（108cm/s），产生所谓速度过冲，近似于弹道输运。具有更小的基区渡越时间和更高的截止频率。,速度过冲：指在刚加上强电场的瞬间，半导体中载流子的漂移速度可以大大超过饱和漂移速度的非平衡瞬态现象,右图为GaAs中电子的速度过冲，大约经过10-12秒，漂移0.5m之后，电子速度才稳定到相应电场的稳态值。,不同材料的小尺寸器件，由载流子非平衡输运的平均时间可以估算出其有效漂移速度,采用Monte Carlo方法计算出经过HBT突变发射极势垒EB的电子在基区漂移速度与距离的关系,由于GaAs的上下能谷的能量差为0.33eV，大的注入能量会使更多的电子跃迁到上能谷，而上能谷比下能谷有效质量大很多，具有较低的速度和迁移率。 因此，发射极势垒尖峰很高，也不一定会得到高的电子漂移速度和低的基区渡越时间。,可以通过基区材料组分的缓变，实现带隙的变化，从而设置基区加速场,AlxGa1-xAs中Al的组分x，越高，其材料禁带宽度越大，通过改变其中Al的组分，可以设置加速电场 ，降低电子的基区渡越时间，提高频率特性,采用缓变基区能带结构以降低基区渡越时间B、提高频率特性之后，对整个延迟时间的贡献最大者则是如下式的集电极空间电荷区的渡越时间SCR,故应该保证载流子在漂移过程中始终处于能谷。图为其不同掺杂结构对电场分布的调节和 得出的电子速度分布,6.3.3 异质结双极晶体管的特性,降低发射区掺杂浓度,减小发射结电容,提高基区掺杂浓度,降低基极电阻,提高了工作频率及功率增益,HBT的高频性能主要取决于总的渡越时间ec和有效基极电阻与集电极电容所构成的时间常数eff：,最高振荡频率为,相对于相同尺寸的Si双极晶体管，HBT具有更高的设计自由度和灵活性，可以获得更好的频率特性,对于数字运用，尽管开关时间与电路与偏置密切相关，但可得出其关系为,经估算，与相同工艺条件下的双扩散硅双极晶体管相比，HBT开关速度快了5至8倍。,开关时间与基极电阻有一次方关系，fmax与基极电阻是二分之一次方关系。因而增加基区掺杂对开关时间的改善比对频率特性的改善更为明显。,通过负载电阻的优化选取，可使开关时间达到极小 ，此时,除了降低基极电阻，降低集电极电容也可使开关时间降低。采用下图的反向器件结构，也就是集电极位于最上方，发射极置于最下方，从而缩小集电极面积，降低集电极电容,采用该结构，可使集电极电容缩小为原来的三分之一以上,双异质结双极晶体管，简称DHBT，可以使发射结与集电结的内建电势 相同，消除单异质结HBT的开启电压，降低功耗,数字电路工作过程中，存在集电极正偏的饱和状态，如果基区掺杂比集电区高，将出现基区空穴注入集电区，使得电路功耗增大、速度下降。如集电区采用宽禁带材料，可以很好地抑制此空穴注入。,DHBT的上下两个PN结可以制作成相同面积，发射极、集电极可以互换，使用这样的晶体管，集成电路设计制造可以获得更大的自由度。,5.3.4 Si/Si1-xGex异质结双极晶体管,Si基Si/SiGe异质结工艺一方面可充分发挥异质结的优异性能，另一方面又很好地利用了成熟的硅平面工艺的长处,(a) 无应变合金膜,(b) 应变赝晶合金膜,Si和Ge的晶格常数分别为：5.4307：5.6575,，,临界厚度-有应变的SiGe材料在Si衬底上生长而不产生各种缺陷的最大厚度，它与SiGe合金组分有关。,光吸收实验得出Si1-xGex合金的禁带宽度Eg与Ge组分x关系,在硅上生长应变的锗硅层时，应变层的晶格常数与衬底的硅相同，由于其弹性特性，SiGe晶格发生了四角形变。当其中的Ge组分变化时，应力也发生了相应的变化，SiGe合金的晶格形状就会随着应力的改变而变化，得到的能带结构也不相同,可以通过改变x或改变应变来自由调节Eg，这在就是利用Si1-xGex制作HBT的基础。,SiGe-HBT的基本结构是在硅基的发射区和集电区之间，外延一层p+ SiGe材料作为基区。,由于SiGe和Si之间的禁带宽度的差别主要发生在价带上，因此，价带顶的能量突变要远大于导带中出现的尖峰。由于导带尖峰非常小，故SiGe-HBT的电学性质几乎没有影响。,基区Ge组分缓变设置加速场，发射结和集电结为缓变结。,Si/SiGe HBT的Ic与普通的Si BJT的相比，有如下关系：,对缓变基区HBT，如果基区中从发射结一边到集电结一边禁带宽度的变化为EG(BC-BE)，则Si/SiGe HBT与Si BJT少子渡越基区的时间B之比有如下关系,由于Si/SiGe HBT中发射结存在着价带突变量Ev，电流增益不再主要有发射区和基区杂质浓度比来决定，给器件的设计带来了更大的自由度。,