第五章。射频化合物半导体技术介绍

GaAs、InP单晶体生长的难点
合成与生长：熔点温度下高挥发（As、P） ——高蒸汽压、纯化学配比
高温生长——坩堝沾污
高温高压——不完整性：缺陷、位错 GaAs（InP）单晶拉制工艺：LEC、VB、VGF
机械强度——晶片加工与器件制造工艺困难
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HBT的原理特点
异质EB发射结：宽能隙发射区、窄能隙基区
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HBT的原理特点
异质EB结的能带差ΔEg增加了改变发射结注入比的手段：
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化合物器件：从MOSFET到MESFET
化合物半导体缺乏具有良好加工性能的氧化物钝化层 必须采用非MOSFET型器件 MOS结构 MES结构（金属半导体接触势垒） 化合物半导体（GaAs、InP）较大的Eg 优异的 Schottky势垒特性 类MOSFET的MESFET： 栅下MOS电容电位控制
FETs ：化合物 vs Si
GaAs 类FET特点：缺乏类SiO2稳定氧化物
空穴迁移率远低于电子
器件需采用不同工作原理—— GaAs（InP）基金属半导体场效应晶体管（MESFETs） Si 结 载流子 器件结构 器件内部电场 互补电路 P/N 电子，空穴 MOS 较弱 CMOS III-V化合物 Schottky barrier P/N 电子 MES，MIS 较强 E/D
1948 Schokley 提出不同半导体材料形成异质结双极晶体管的原理 1957 Kroemer 提出完整的HBT设计理论 1977 Konnzai等制造出第一个真正的GaAs/AlGaAs HBT
HEMT——
1978 Dingle 用MBE生长出能产生2DEG的异质结构 1980 Mimura等制造出第一个AlGaAs/GaAs HEMT
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实例2：HBT
npn-HBT剖面示意
npn-HBT层结构示意
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我国III-V化合物半导体技术的历程
GaAs单晶拉制：1961（1959） GaAs GUNN二极管研制：1964（1963）
材料的多元性（二元、三元及多元）：大大地提高 器件设计的灵活性与性能优化的潜力 更高品质的载流子输运特性：满足高频、高速器件 的基本要求 直接能隙半导体：光电子发射 高频、高速、微波、光电应用电路的一体化：对全 功能性材料的追求——单片化多功能集成电路技术
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III-V化合物半导体技术发展里程碑
晶体合成与单晶拉制： GaAs：1956；InP：1968 器件研究：GaAs GUNN 1963 三极管：GaAs MESFET 1970 异质结三极管：GaAs：HBT 1977；HEMT 1980；PHEMT 1985 InP：HEMT 1987 单片集成电路（MMIC）：GaAs 1976；InP 1990 宽禁带半导体三极管器件：GaN HEMT 1993 宽禁带MMIC：GaN HEMT MMIC 2000
PIN二极管、限幅二极管
电场下载流子行为：漂移与饱和
高场下的电子运动：微波三极管中的尺寸效应—— 亚微米栅（FET）、超薄基区（BT）
电子极限速度：饱和速度vs 微波器件性能：低场迁移率n与高场饱和速度vs的 综合效应
MESFET、HEMT、PHEMT、HFET、MHEMT、HBT
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栅下沟道厚度的耗尽控制
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异质结器件的崛起：化合物半导体同质 结FET及BJT原理的突破
同质材料结构 异质材料结构： 器件原理与特性的飞跃 异质结构器件设计优化： 传统的扩散、注入、合金、氧化：掺杂工程
RF与微波器件的工作机理推动对 III-V半导体特性的深入挖掘利用
射频应用对半导体特性、效应的 深入挖掘
传统（二极管、三极管）器件特性的充分利用： I-V特性的利用：线性、非线性、大动态范围 结电容特性的利用：线性、非线性 沟道电导调制效应的利用
电子在高场下的漂移特性： 迁移率的非线性、电子饱和速度 高能电子在强场下的特殊行为： 碰撞引起载流子倍增与雪崩倍增 导带子能谷之间的电子谷间转移
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充分挖掘半导体内载流子的各种特性：众多的微波器 件家族
半导体异质结构的实现开创了 “能带工程”器件设计原理时代
Schottky 二极管、检波二极管、混频二极管、
隧道二极管
结电容的压控特性： 改变谐振回路频率及Q值——宽带信号源
变容二极管、阶跃二极管
沟道电导的非线性调制： 用于RF信号的衰减、限幅
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GaAs MESFET研制：1975（1970）
GaAs MESFET MMIC研制：1980（1976） GaAs基HEMT研制：1984（1980） GaAs材料合成试验：1959（1956） GaN HEMT研制：1999（1993）
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HEMT的原理特点
AlGaAs/GaAs异质结的导带不连续性：GaAs一侧 形成量子势阱，掺杂层内电子转移到阱内形成高 面密度的二维电子气（2DEG）
掺杂层与2DEG层的空间分离，降低杂质离子的 库仑散射：提高2DEG的迁移率
解决了：器件工作区内增加载流子浓度与提高 载流子迁移率的矛盾——体现微波频率下工作 HEMT的优异特性
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微波半导体器件特性的非线性利用
I-V特性的非线性区效应： 产生信号频率的谐波、分谐波成分—— 变频、倍频、分频
III-V半导体材料技术的发展直接推动 器件与应用的进程：例
材料合成与单晶拉制的困难制约着化合物器件与集成技术的发 展： 1967 GaAs MESFET（单晶拉制技术的完善：1965 LEC）
1976 GaAs MMIC（1-2英吋直径单晶拉制及晶片加工：1970s初）
外延技术（MBE、MOCVD）的发展直接推动化合物新型器件 的发展： HBT——
III-V族化合物半导体的速场特性
高电场下电子进入远离导带底的高能态—— 传统的导带底部低能态近似不再适用
化合物半导体——
导带双能谷：有效质量不同
“快”态电子、“慢”态电子 高电场下跃迁：
快电子
慢电子
负微分迁移率（电子）
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化合物半导体器件内的高场效应： 雪崩与体效应（GUNN效应）
高能电子高速漂移运动引起的载流子碰撞、雪崩
IMPATT（雪崩二极管）
高能电子在化合物半导体（GaAs、InP）导带子能谷间 转移
“快”电子——“慢”电子引起半导体内的偶极子疇：
正效应：GUNN效应与器件 副效应：干扰某些器件正常工作状态 GUNN二极管（体效应二极管）
双平面掺杂PHEMT 层结构示意
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HEMT工作原理
n-AlGaAs
i-GaAs
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异质层结构的设计优化及外延：能带工程
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实例1：源自文库电子迁移率晶体管（HEMT）
2DEG层
膺配HEMT剖面示意
内
容
III-V化合物半导体特性的吸引力与发展历程
微波应用对半导体特性潜力的挖掘 器件设计：“掺杂工程”——“能带工程” 材料制造技术：基础材料——“功能材料”
III-V宽禁带高温半导体技术
III-V化合物微波单片集成电路技术
结论
III-V化合物半导体的特性 优势与发展历程
III-V化合物半导体的主要吸引力
III-V化合物半导体发展历程
化合物半导体的历史与元素半导体同样悠久
发展遇到的最大困难是材料生长的困难 化合物材料技术的发展（晶片直径、外延技术） 直接推动新原理器件的诞生与应用
中国的III-V化合物半导体技术发展始于1960 年代前期
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射频III-V族化合物 半导体技术
2003.10
成都
内容限定
化合物：元素半导体……（Ga,Te,Se,Ge,Si…..) III-V族：SiGe、SiC、II-VI族半导体…… 射频（RF）：光、热、敏感、低频…… 实用性成熟：低维结构（量子点、量子线、量 子谐振隧穿……） ABCS（锑化物基半导体）