《微电子学概论第二章基本器件技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微电子学概论第二章基本器件技术（44页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Introduction to Microelectronics第二章 基本器件技术2.1 硅基MOS器件技术2.2 双极晶体管技术2.3 功率电子器件技术2.4 GaAs器件技术2.5 SiGe器件技术2.6 宽带隙半导体技术2.7 量子器件技术第二章 基本器件技术? 半导体器件技术的不断创新与发展有力地推动了电子信息技术的一次有一次飞跃。?1895年5月7日，无线电创始人波波夫进行了人类第一次无线电信号收发表演，他采用的检波器是用一根金属触丝和一块天然矿石晶体做成的晶体检波器。这就是第一个固体电子器件。?1922年前苏联学者洛谢夫发现了晶体检波器的负电阻现象，从而制成了振荡器和再生式收音机
2、。?1926年至1930年用氧化亚铜制出了固体整流器，并投入了批量生产。第二次世界大战之后，人们研究清楚了检波器内的物理过程，性能优良的锗、硅检波二极界大战之后，人们研究清楚了检波器内的物理过程，性能优良的锗、硅检波二极管代替了真空二极管。?1947年提出了结理论当年12月点接触型锗三极管发明在电子科学领域诱?1947年提出了pn结理论，当年12月点接触型锗三极管发明，在电子科学领域诱发了一场技术革命。在深入探索研究后提出了npn和pnp两种半导体三极管的放大作用理论，并在理论指导下研制出了面结型晶体管。第二章 基本器件技术?1951年人们第次用合金法制成面结型晶体管1952年提出了结型场效应
3、晶体?1950年采用切克斯基炉拉出锗单晶，不久又拉出硅单晶。?1951年人们第一次用合金法制成面结型晶体管。1952年提出了结型场效应晶体管理论，1953年提出了面势垒型晶体管，1955年利用扩散技术研制出扩散深度可控的薄基区晶体管，使晶体管的截止频率从几百千赫兹提高到几百兆赫兹，此后微合金扩散管、台面型晶体管等新型器件不断问世。?1958年制造出开关速度达2的隧道二极管1964年第支400 MH输出5W?1958年制造出开关速度达2 ns的隧道二极管。1964年第一支400 MHz、输出5W硅微波功率管问世之后，大大地推动了微波通信和雷达小型化固体化的变革。?1966年出现了第一支以肖特基为
4、栅极的GaAs MESFET，GaAs电子迁移率和工作频率比硅高5倍，使器件工作频率从C波段进入到Ku波段。?1974年富士通公司做出了10 GHz、0.7W，最高振荡频率为50 GHz的GaAs微波功率场效应管，1980年又采用调制掺杂超晶格技术研制出第一只高电子迁移率晶体管率场效应管，年又采用调制掺杂超晶格技术研制出第只高电子迁移率晶体管（HEMT）。第二章 基本器件技术?为克服GaAs材料热导率低、镜片易碎、成本昂贵、难于制作大直径单晶等缺点，新材料SiGe合金应运而生。采用SiGe/Si外延技术制作SiGe/Si HBT、 SiGe HEMT、SiG MODMOSFETSiG 器件的工
5、作频率可达K 波段?以硅和砷化镓为基础材料的半导体器件因其禁带宽度所限只能在200以下。SiGe MODMOSFET。SiGe器件的工作频率可达Ku波段。为适应国防、武器装备的需求，以SiC、GaN为代表的一批高温半导体器件不断涌现，它们可以工作在500 高温，可靠性、抗辐射、高功率方面有独到之处。?半导体器件朝着两大方向开展，其一是更高的工作频段，其二是更大的功率容量。电力电子器件从20世纪50年代的SCR发展到GTO、功率MOSFET、IGBT等。?在传统的半导体器件研究基础上，近十年来在微电子技术领域又出现了许多新型器件如MEMS纳米电子器件超导电子器件有机电子器件等这些新结构新器件，如
6、MEMS、纳米电子器件、超导电子器件、有机电子器件等。这些新结构、新原理的电子器件将对21世纪信息技术的发展起着强有力的推动作用。第二章 基本器件技术2.1 硅基MOS器件技术? MOS器件的基本结构?金属-氧化物-半导体场效应晶体管，缩写为MOSFET。MOSFET是一种单极型晶体管只靠种极性的载流子（电子或空穴）传输电流有N沟MOSFET和P晶体管，只靠一种极性的载流子（电子或空穴）传输电流，有N沟MOSFET和P沟MOSFET。?P沟MOSFET衬底采用P型单晶硅，源区和漏区靠扩散或掺杂形成N+区；N沟?P沟MOSFET衬底采用P型单晶硅，源区和漏区靠扩散或掺杂形成N 区；N沟MOSFE
7、T衬底采用N型单晶硅，源区和漏区靠扩散或掺杂形成P+区。传统栅极采用铝栅，也采用多晶硅栅，微波器件中采用难熔金属作为栅极。第二章 基本器件技术2.1 硅基MOS器件技术? MOS器件的工作原理?MOSFET工作原理以半导体表面电场效应为基础，以栅电压来控制漏极电流。因此是典型的电压控制器件此MOSFET是典型的电压控制器件。?位于MOSFET源区和漏区之间的中心部分是一个MOS电容结构，若在栅极和衬底之间加一定的电压所产生的电场方向垂直于Si/SiO 界面并在界面的硅一侧感应之间加一定的电压，所产生的电场方向垂直于Si/SiO2界面，并在界面的硅一侧感应出表面空间电荷和自由载流子电荷（电子或空
8、穴）。?对于p型衬底MOS电容器，若栅压从负值向正值扫描变化时，衬底表面依次经历?对于p型衬底MOS电容器，若栅压从负值向正值扫描变化时，衬底表面依次经历积累、平带、耗尽、本征、弱反型和强反型等状态变换。对于n型衬底MOS电容器，若栅压从正值向负值扫描变化时，衬底表面同样经历积累、平带、耗尽、本征、弱反型和强反型等这些状态变换反型和强反型等这些状态变换。?MOSFET若作放大元件应用，叠加在栅源直流偏置电压上的交流分量UGS，将引起输出回路中的漏极电流产生变化ID，负载电阻上随即产生URL，由此获得增益。MOSFET也是一种良好的开关器件， UGS UT器件截止，栅极输入电压可控制器件的沟道状
9、态使其具有开关特性。极输入电压可控制器件的沟道状态使其具有开关特性。第二章 基本器件技术2.1 硅基MOS器件技术? MOS器件的类型?按导电载流子的极性，MOSFET划分为N沟道和P沟道。按转移特性划分，MOSFET分为增强型和耗尽型两种MOSFET分为增强型和耗尽型两种。?按输出电平大小划分为小信号MOSFET（平面MOSFET）和功率MOSFET（双扩散MOSFET，即DMOSFET）。功率MOSFET包括VDMOSFET（垂直双扩散MOSFET）和LDMOSFET（横向双扩散MOSFET）。横向双扩散MOSFET有很好的微波特性。第二章 基本器件技术2.1 硅基MOS器件技术? MOS
10、器件的输出特性IRF630型功率DMOSFET的输出特性?从输出特性曲线可以看出，其工作特性分为两个区域：线性区域其导通电阻大致不变，饱和区域漏电流大致不变。第二章 基本器件技术2.1 硅基MOS器件技术? MOS器件的主要制造工艺?N沟道难熔金属钼栅功率VDMOSFET的主要工艺流程如下：N沟道难熔金属钼栅功率VDMOSFET的纵向结构示意图MOSFET详细工艺流程：2.2 双极晶体管技术第二章 基本器件技术? 双极晶体管的基本结构?双极晶体管工作时，半导体中的两种载流子（电子和空穴）同时起作用，所以成为双极晶体管。该类器件由两个pn结组成，又称为结型晶体管。基本结构有PNP和NPN型两种。
11、?中间一层为基区，左边的掺杂区为发射区，右边的掺杂区为集电区（收集区），基区和发射区之间的pn结为发射结，基区和集电区之间的pn结为集电结。通过发射基区和发射区之间的pn结为发射结，基区和集电区之间的pn结为集电结。通过发射结发射载流子，集电区收集载流子。发射极、基极、集电极分别用E、B、C表示。2.2 双极晶体管技术第二章 基本器件技术? 双极晶体管的工作原理?由于存在浓度梯度，电子发射区越过发射结(B-E结)注入到基区，基区很薄，电子在基区基本上不和多子复合就到达集电结(B C结)的边缘集电结内电场会把电子子在基区基本上不和多子复合就到达集电结(B-C结)的边缘，集电结内电场会把电子扫入集
12、电区。在正向有源状态下，势垒降低，电子会源源不断地从发射区注入到基区，然后被集电结的电场收集到集电区，形成持续的电流。?双极晶体管属于电流控制器件。在输入端叠加一个信号电压，由于发射结处于?双极晶体管属于电流控制器件。在输入端叠加个信号电压，由于发射结处于正偏，信号电压的微小变化都可引起发射极电流的很大变化，同时引起集电极电流的很大变化。集电极电流在负载电阻的电压降的变化可比信号电压的变化大很多倍，因而产生了信号的放大作用。2.2 双极晶体管技术第二章 基本器件技术? 双极晶体管的类型与连接方式?按基本结构可分为：NPN型和PNP型晶体管。?按器件性能及应用可分为：低噪声晶体管、开关晶体管、功
13、率晶体管等。其中功率晶体管又分为连续波功率晶体管线性功率晶体管脉冲功率晶体管等功率晶体管又分为连续波功率晶体管、线性功率晶体管、脉冲功率晶体管等。?按工作频率可分为：低频低噪声晶体管、微波低噪晶体管、低频小功率晶体管、高频大功率晶体管微波大功率晶体管等高频大功率晶体管、微波大功率晶体管等。2.2 双极晶体管技术第二章 基本器件技术? 双极晶体管的特性曲线?双极晶体管有两个pn结，对应有两个回路：输入回路（B-E结），它是正向偏置的输出回路（B C结）它是反向偏置的置的；输出回路（B-C结），它是反向偏置的。共发射极输入特性曲线共发射极输出特性曲线?双极晶体管的输出特性曲线分为三个区I饱和区BE
14、结和BC结都处于正?双极晶体管的输出特性曲线分为三个区：I饱和区，BE结和BC结都处于正偏，集电极电流随集电极电压增大很快增大；II截止区，BE结和BC结都处于反偏；III放大区，晶体管作放大器用时工作于此区域，此时BE结正偏，BC结反偏，称为正向有源状态。2.2 双极晶体管技术第二章 基本器件技术? 双极晶体管的主要制造工艺流程NPN型双极微波功率晶体管的纵向结构示意图2.2 双极晶体管技术第二章 基本器件技术? 双极晶体管的主要制造工艺流程?NPN型双极硅微波晶体管的主要工艺流程：?NPN型双极硅微波晶体管的详细工艺流程：2.3 功率电子器件技术第二章 基本器件技术? 晶闸管简介?晶闸管是
15、晶体闸流管的简称，曾称为可控硅。自从1957年美国研制出第一只普通晶闸管以来，至今已经形成从低压小电流到高压大电流的系列产品。同时晶闸管又派生出许多新类型，如双向晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等光控晶闸管等。?晶闸管作为大功率的半导体器件，只需用几十至几百毫安的电流，就可以控制几百至几千安的大电流，实现了弱电对强电的控制。?晶闸管具有体积小、重量轻、损耗少、控制特性好的特点，是一种应用广泛的?晶闸管具有体积小、重量轻、损耗少、控制特性好的特点，是种应用广泛的功率半导体器件。2.3 功率电子器件技术第二章 基本器件技术? 晶闸管基本结构各种晶闸管的封装外形及引脚2.3
16、功率电子器件技术第二章 基本器件技术? 晶闸管基本结构晶晶闸管电路符号器件内部杂质浓度分布情况器件纵向结构截面图2.3 功率电子器件技术第二章 基本器件技术? 晶闸管基本结构?晶闸管是具有四个不同掺杂类型和浓度区域形成的三个PN结，PNPN四层结构组成的三端器件它有三个电极阳极A阴极K和门极G组成的三端器件。它有三个电极：阳极A、阴极K和门极G。晶闸管的横截面拆分模型及等效电路2.3 功率电子器件技术第二章 基本器件技术? 晶闸管工作原理?当晶闸管加正向阳极电压，门极也加上足够的门极电压时，则有电流IG从门极流入NPN管的基极，即IB2，经NPN管放大后的集电极电流IC2流入PNP管的基极，再
17、经PNP管放大，其集电极电流又流入了NPN管的基极，如此循环，产生强烈的增强式PNP管放大，其集电极电流又流入了NPN管的基极，如此循环，产生强烈的增强式正反馈过程，即使两个晶体管饱和导通。1122)(CBCBGIIIII?晶体管一旦导通，即使IG= 0，晶闸管仍保持导通状态。若要晶闸管关断，只有降低阳极电压为零或反向，使得IC1电流减少至NPN管接近截止状态，即流过晶闸管的阳极电流小于维持电流晶闸管才可以恢复阻断状态的阳极电流小于维持电流，晶闸管才可以恢复阻断状态。2.3 功率电子器件技术第二章 基本器件技术? 绝缘栅双极晶体管（IGBT）?绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate B
18、ipolar Transistor，IGBT）是20世纪80年代发展起来的种新型复合器件它综合了电力MOSFET和GTR（电力晶体管）代发展起来的一种新型复合器件，它综合了电力MOSFET和GTR（电力晶体管）的优点，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大的优点，在电机控制、中频电源、开关电源等领域应用广泛。IGBT结构和电流通路示意图IGBT电路符号2.3 功率电子器件技术第二章 基本器件技术? 绝缘栅双极晶体管（IGBT）?IGBT引出三个电极：集电极C、发射极栅极相当以电力体管为主极E、栅极G。相当于以电力晶体管为主导元件，以MOSFET为驱动元件的结构。?IGB
19、T的开通和关断是由栅极电压控制?IGBT的开通和关断是由栅极电压控制的。栅极施以正电压时，电力MOSFET内形成沟道，并为PNP型晶体管提供基极电IGBT输出特性曲线流，从而使IGBT导通。在栅极加上负电压时，沟道消失，PNP管基极电流被切断，IGBT关断IGBT输出特性曲线IGBT关断。?20世纪90年代以来，我国已研制出100V/3A、 500V/20A、 800V/20A等多种IGBT器件。2.4 GaAs器件技术第二章 基本器件技术? GaAs材料?GaAs具有闪锌矿结构的晶体，自然界中没有GaAs化合物存在，只能通过人工合成的方法获得当掺入IV族元素（如硅硫碲等）得到N型晶体掺入II
20、工合成的方法获得。当掺入IV族元素（如硅、硫、碲等）得到N型晶体，掺入II族元素（如铍、锌、镉等）获得P型晶体。半绝缘材料是通过杂质补偿获得。?GaAs器件的优良性能来自于材料固有特性：1）高迁移率，低场迁移率是硅的6倍；2）直接带隙，高的发光效率；3）半绝缘GaAs是微波单片集成电路良好的衬底材料；4）禁带宽度较宽，工作温度较高；5）器件抗辐射能力强；6）GaAs衬底材料；4）禁带宽度较宽，工作温度较高；5）器件抗辐射能力强；6）GaAs MESFET是单极多子器件，有利于高频低噪声应用。?GaAs材料对器件性能不利的因素：1）纯度低，比硅低4个数量级；2）均匀性差；3）导热性差，仅为硅的1
21、/3；4）缺乏自体氧化层；5）材料与工艺成本较高。2.4 GaAs器件技术第二章 基本器件技术? GaAs器件?GaAs器件主要包括GaAs MESFET（金属-半导体肖特基势垒栅场效应晶体管）HEMT（高电子迁移率晶体管）PHEMT（赝配高电子迁移率晶体管）管）、HEMT（高电子迁移率晶体管）、PHEMT（赝配高电子迁移率晶体管）、HBT（异质结双极晶体管）。GaAs器件性能比较GaAs器件性能比较2.4 GaAs器件技术第二章 基本器件技术? GaAs MESFET器件结构?GaAs MESFET的工作电流由一种载流子（电子）提供，它是单极器件，参与器件电行为的是多子电子同时它又是种三端电
22、压控制器件其源漏间距与器件电行为的是多子电子。同时它又是一种三端电压控制器件，其源漏间距小，工作器件的沟道电场很强，微波GaAs MESFET属于热电子器件。栅宽70m4低噪声器件栅宽125m40功率器件?GaAs MESFET采用高电阻率的半绝缘GaAs材料作衬底衬底上生长N型掺杂?GaAs MESFET采用高电阻率的半绝缘GaAs材料作衬底，衬底上生长N型掺杂GaAs外延层作沟道，沟道上方淀积适当的金属形成源极、漏极和栅极。源极、漏极与下方的半导体形成欧姆接触，栅极与其下的半导体形成肖特基接触。2.4 GaAs器件技术第二章 基本器件技术? GaAs MESFET 工作原理栅压对耗尽层厚度
23、的调制作用?栅金属和N型半导体形成肖特基势垒，势垒可在半导体内形成载流子完全被耗尽的?栅金属和N型半导体形成肖特基势垒，势垒可在半导体内形成载流子完全被耗尽的薄层，MESFET工作原理及器件性能就是利用的耗尽层可以被栅极电压调制的特性。?耗尽层的作用就像绝缘体它压缩了N型层中电流流动沟道的面积当栅极加负电?耗尽层的作用就像绝缘体，它压缩了N型层中电流流动沟道的面积。当栅极加负电压时，耗尽层变厚；加正电压时，耗尽层变薄。当负电压加到一定程度耗尽层厚度和N型沟道层厚度相当，沟道被“夹断”。栅偏压对沟道的调制能力成为“跨导（gm）。2.4 GaAs器件技术第二章 基本器件技术? GaAs MESFE
24、T 工作原理MESFET电路符号MESFET电路符号MESFET典型静态电流电压特性2.4 GaAs器件技术第二章 基本器件技术? GaAs HEMT?在MESFET中，N型沟道中电子和施主离子处于同一空间，有很强的电离杂质散射贝尔实验室提出将沟道中的载流子在空间上与其母体电离杂质分离以增强沟射。贝尔实验室提出将沟道中的载流子在空间上与其母体电离杂质分离，以增强沟道中电子迁移率，这种器件为高电子迁移率晶体管（HEMT）。?HEMT通过能带工程将非掺杂的窄带隙材料（GaAsInGaAs）与N型掺杂的宽带隙?HEMT通过能带工程将非掺杂的窄带隙材料（GaAs、InGaAs）与N型掺杂的宽带隙材料（
25、AlGaAs）组成异质结，其导带不连续形成势阱，界面势阱把离化出来的电子限制在窄带隙材料中（二维电子气），与宽带隙中离化施主离子在空间上相分离。?MOS管调制的是沟道电流，MESFET是通过栅压调制耗尽层形状和厚度来控制沟道电流，HEMT是通过电压控制势阱的形状和载流子数目来实现器件的各种功能，也是一种压控器件。?在PHEMT中，以禁带宽度更窄的InGaAs代替GaAs作为沟道区，界面带隙不连续性更大，势阱更深，更有利于对载流子的限制，有利于增大电流密度。2.4 GaAs器件技术第二章 基本器件技术? GaAs HBT器件结构?异质结双极晶体管（HBT）采用异质结双极晶体管（HBT）采用宽带隙
26、AlGaAs作发射区，基区和集电区均为GaAs，整个器件制作在半绝缘G A 衬底上由于从发射区到绝缘GaAs衬底上。由于从发射区到基区能带差值，大大地增加了载流子的注入效率。典型AlGaAs/GaAs双基极HBT剖面图?HBT是一种纵向结构器件，导电面积大因而电流驱动能力强同时面积大，因而电流驱动能力强，同时在较宽温度范围内电流稳定性好。HBT的1/f 噪声低，用来制造振荡器典型AlGaAs/GaAsHBT的直流特性比FET有更低的相位噪声。典型AlGaAs/GaAsHBT的直流特性2.5 SiGe器件技术第二章 基本器件技术? SiGe材料制备技术?SiGe合金为连续固溶体，生长单晶SiGe
27、的方法有1）直拉法生长SiGe单晶；2）区熔法生长SiGe单晶；3）垂直布里奇曼（VBG）法和区域平均（ZL）法拉制单晶。?在SiGe单晶上外延SiGe薄层可以消除在Si上生长SiGe的失配应力。SiGe单晶是一?在SiGe单晶上外延SiGe薄层可以消除在Si上生长SiGe的失配应力。SiGe单晶是种重要的热释电材料，采用Si0.3Ge0.7单晶制作的温差电池转化效率可达23.3%。SiGe单晶还可用于低温热电阻、探测器、红外光探测器、长波长光电导探测器、多量子阱光电探测器及红外滤波器等阱光电探测器及红外滤波器等。?经过多年探索已经研究出多种生长优质SiGe/Si外延层的工艺技术，如气体源分子
28、束外延（GSMBE）、固体源分子束外延（SSMBE）、超高真空化学气相淀积（UHV/CVD）和快速加热化学气相淀积（RTCVD）。2.5 SiGe器件技术第二章 基本器件技术? SiGe HBT?1957年H. Kromemer提出采用宽带隙作发射极的异质结双极晶体管的新结构，以大幅度提高体管的频率特性和电流增益年的达可以大幅度提高晶体管的频率特性和电流增益。1994年SiGe HBT的fT 已达100 GHz，2002年研制出207 GHz的SiGe HBT。SiGe/Si HBT台面结构示意图SiGe/Si HBT能带结构图?相比于同质结BJT，SiGe/Si HBT有以下优点：（1）具有
29、很高的电流增益（2）基区掺杂可做得很高显著降低基区电阻降低（1）具有很高的电流增益；（2）基区掺杂可做得很高，显著降低基区电阻，降低噪声，提高频率特性；（3）通过改变Ge组分，从基区到发射区逐渐增大禁带宽度，形成一个自建电场，缩短少子渡越时间，提高器件工作频率。2.5 SiGe器件技术第二章 基本器件技术? SiGe PMOD MOSFET?从图中可见未掺杂的本征SiGe层，其载流子空穴是将SiG 由P 硅掺杂其载流子空穴是将SiGe由P+硅掺杂等提供。空穴与掺杂层分离，使空穴在沟道中的迁移率大大提高。硅帽层的作用将SiGe和SiO2隔离开来，减少沟道载流子受到Si-SiO2界面散射的影响有利
30、于进一步提高迁移SiGe PMOD MOSFET 纵向结构图射的影响，有利于进步提高迁移率。? SiGe 集成电路? SiGe 集成电路?1999年IBM公司研制出0.5mSiGe BiCMOS工艺的单片SiGe收发器。Motorola开发了一种低成本低功耗的RF SiGe CMOS工艺SiGe Microsystems公司自1996年以发了一种低成本低功耗的RF SiGe CMOS工艺。SiGe Microsystems公司自1996年以来利用SiGe HBT和BiCMOS工艺兼容性先后开发了单片收发器、LNA、高动态范围混频器、振荡器等。AMCC公司推出了10Gbits单片限制放大器。2.
31、6 宽带隙半导体技术第二章 基本器件技术典型半导体物理性质的比较2.6 宽带隙半导体技术第二章 基本器件技术? 宽带隙半导体的特点?宽带隙半导体是带隙在2 eV以上的半导体，包括碳化硅（SiC）、III族氮化物（G N）和金刚石等宽带隙半导体是继第代半导体（GSi）第二代半导体（GaN）和金刚石等。宽带隙半导体是继第一代半导体（Ge、Si）、第二代半导体（GaAs、InP等）之后的第三代半导体，SiC和GaN是最重要的宽带隙半导体材料。?SiC晶体属IV-IV族化合物半导体，晶体结构比较复杂，既可取闪锌矿结构又可取纤维锌矿结构，有许多同素异构体。其物理性质是：宽带隙、高击穿场强、低本征载流子浓
32、度和高热导率功率密度相当于Si器件的10倍以上，工作温度600以上载流子浓度和高热导率。功率密度相当于Si器件的10倍以上，工作温度600以上。?GaN属III-V族化合物，可取六方的纤维锌矿和立方的闪锌矿两种结构形式，具有稳定的化学性质。其物理性质：宽带隙、高击穿、低本征载流子浓度和高饱和速度等。GaN器件在500仍能工作，击穿电压和功率密度是GaAs的10倍以上。?GaN异质结构具有二维电子气传输特性和压电极化效应，GaN的能带属直接带隙，带隙可调，是制作可见光、紫外光等光电子器件的最佳选择，是一种兼具微电子和光电子器件优势的半导体光电子器件优势的半导体。第二章 基本器件技术2.6 宽带隙
33、半导体技术? GaN器件的常见结构?GaN器件主要包括GaN微电子器件，如大功率、高温度的微波、毫米波电子器件，高击穿的特种器件等光电子器件如蓝光绿光的LED和激光器和探测器等高击穿的特种器件等；光电子器件，如蓝光、绿光的LED和激光器和探测器等。?GaN电子器件有单极FET（MESFET、MOS-HFET、JFET、HEMT等）、双极器件HBT和二极管等HBT和二极管等。第二章 基本器件技术2.6 宽带隙半导体技术? AlGaN/GaN HEMT管?高电子迁移率晶体管（HEMT），又称调制掺杂场效应晶体管（MODFET），采用宽带隙材料（AlGaN）代替氧化层将栅和沟宽带隙材料（G N）代替
34、氧化层将栅和沟道隔开。在AlGaN和GaN异质结面之间形成二维电子气，提高了器件的输运特性。?AlGaN/GaN HEMT具有优良的特性：高击穿（50 V），高饱和速度（1107cm/s）和高表面浓度（ 11013cm-2）等。在工艺上，成功实现了低压原子层级的CVD淀积和原位掺杂从而获得了高质量的异质结和二维电子低压原子层级的CVD淀积和原位掺杂，从而获得了高质量的异质结和二维电子气结构。第二章 基本器件技术2.6 宽带隙半导体技术? GaN MOS-HFET?GaN MOS-HFET是既具有MOS结构，又有异质结构二维电子气的场效应晶体管。他在蓝宝石上生长AlGaN/GaN异质结构材料，再
35、制作高质量的SiO2-AlGaN界面。第二章 基本器件技术2.6 宽带隙半导体技术? GaN HBT?异质结双极晶体管使用垂直于晶面的电流输运机理，更有效地利用晶片面积，具有较高的电流密度。采用大功率的双极晶体管结构，可以在高功率电平下提供较好的线性结构，可以在高功率电平下提供较好的线性度、较高的功率附加效率和较低的噪声以及更均匀的阈值电压分布。?AlGaN/GaN HBT的结构多种多样，包括：SHBT（单异质结双极晶体管）、DHBT（双异质结双极晶体管）等。DHBT具有宽带隙集电极和发射极，不仅有与SHBT的优点而且还提高了击穿电压增强了对载流子的控制减少了从基与SHBT的优点，而且还提高了
36、击穿电压，增强了对载流子的控制，减少了从基区到集电区注入的饱和现象。第二章 基本器件技术2.6 宽带隙半导体技术? GaN 二极管?上图为GaN基肖特基二极管的基本结构。它采用等离子体增强MBE方法在蓝宝石衬底上生长GaN等，分别采用Ti/Au和Pt/Au为欧姆接触和肖特基接触。?宽带隙半导体二极管是高功率、高温度应用的器件。它可用于多个方面，如重型马达的固态驱动器、电动车辆或船舶的脉冲功率源、电动汽车和设备的发射机和配电器射机和配电器。?GaN整流器的特点在于较快的开关速度和较低的正向压降。最新研制的GaN肖特基整流器的反向击穿电压可达2kV以上对于高压开关意义重大肖特基整流器的反向击穿电压
37、可达2kV以上，对于高压开关意义重大。第二章 基本器件技术2.6 宽带隙半导体技术? GaN MMIC?为了进一步提高GaN基器件的技术水平必须将所有重的RF技术水平，必须将所有重要的无源和有源器件集成在一起，成为单片微波集成电路（MMIC）。在工艺上，MMIC采用空气桥、金属-绝缘体-金属电容通孔亚微米工艺等SiC基基AlGaN/GaN HEMT MMIC的截面图的截面图电容、通孔、亚微米工艺等。?具有优越性能的G N器件的频率范围已从L波段覆盖到K 波段此外在无?具有优越性能的GaN器件的频率范围已从L波段覆盖到Ka波段。此外，在无线通信领域，GaN MMIC不仅有望代替常规GaAs MM
38、IC，而且可以代替大功率的微波毫米波真空管。第二章 基本器件技术2.7 量子器件技术?随着功能材料特征尺寸的缩小（100 nm），其物理长度与电子自由程相当，载流子的输运将呈现出量子力学特征，量子尺寸效应、量子干涉效应、量子隧穿效应库仑塞效应线光学效应表越来越和库仑阻塞效应及非线性光学效应表现得越来越明显。?在半导体领域内，低维（零维、一维、二维）半导体材料脱颖而出。低维半导体材料包括量子阱（QW）材料、量子线（QWR）材料和量子点（QD）材料。维体材料与其电态密度维体材料与其电态密度三三维体材料与其电维体材料与其电子子态密度态密度一维量子线材料与其电子态密度一维量子线材料与其电子态密度二维量
39、子阱材料与其电子态密度二维量子阱材料与其电子态密度零维量子点材料与其电子态密度零维量子点材料与其电子态密度二维量子阱材料与其电子态密度二维量子阱材料与其电子态密度零维量子点材料与其电子态密度零维量子点材料与其电子态密度第二章 基本器件技术2.7 量子器件技术? 量子阱结构器件?高电子迁移率晶体管：基于量子阱结构形成二维电子气的最成功范例。最新第三代是InP基HEMT在95GH 下NF达到1 3dB的高水平0 1 m栅长的InP基HEMT三代是InP基HEMT，在95GHz下NF达到1.3dB的高水平，0.1m栅长的InP基HEMT的最高振荡频率（fmax）高达600GHz。?量子阱激光器199
40、4年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共?量子阱激光器：1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的InP衬底InGaAs/InAlAs量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制，成功获得3.5 m12 m波长可调的红外激光器。目前，量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到中、远红外波段。?量子阱红外探测器：量子阱红外探测器(QWIP)是20世纪90年代发展起来的高新技术。与其他红外技术相比,QWIP具有响应速度快、探测率与HgCdTe探测器相近、探测波长可通过量子阱参数加以调节等优点。而且,利用MBE和MOCVD等先进工艺可生长出高品质大面积和均匀的量子阱材
41、料容易做出大面积的探测器阵列正可生长出高品质、大面积和均匀的量子阱材料，容易做出大面积的探测器阵列。正因为如此，量子阱光探测器,尤其是红外探测器受到了广泛关注。第二章 基本器件技术2.7 量子器件技术? 量子线结构器件?量子线场效应晶体管：国际半导体发展蓝图预测，2015年后硅纳米线晶体管将取代现在的平面工艺晶体管成为集成电路的主流器件硅纳米线晶体管为设计32纳取代现在的平面工艺晶体管成为集成电路的主流器件。硅纳米线晶体管为设计32纳米以下集成电路提供按比例缩小的可能性。?量子线激光器：在量子线激光器中，载流子只能在一个方向上运动，大大地提高了光学增益，减小了阈值电流密度，并提高了温度稳定性。?量子点器件主要包括量子点激光器量子点红外探测器单电子晶体管单? 量子点结构器件?量子点器件主要包括：量子点激光器、量子点红外探测器、单电子晶体管、单电子存储器、量子点共振腔雪崩二极管、量子点超辐射发光二极管、量子点异质结场效应晶体管、量子点光伏型红外探测器、量子点微腔光探测器、量子点网络自动机以及量子计算机等。第二章 基本器件技术思考题：思考题：AlGaN/GaN材料体系和材料体系和AlGaAs/GaAs材料体系相比较有哪些优势？ 利用材料体系相比较有哪些优势？ 利用AlGaN/GaN材料设计的电子器件和光电子器件有哪些类型？材料设计的电子器件和光电子器件有哪些类型？
