化合物半导体器件讲解.pptx

化合物半导体器件—— 双异质结HEMT 报告人：张保国 HEMT(高速电子迁移率晶体管)，又称为二维电子气场效应晶体管（2-DEGFET）就是利用半导体异质结构中杂质与电子在空间能被分隔的优点，因此电子得以有很高的迁移率。 2DEG指在两个方向上可以自由运动,而在第三个方向上的运动受到限制的电子群。由于势阱中的二维电子气是处在本征半导体一边，而该处不存在电离杂质中心的散射作用，因此，这些二维电子气沿着平面方向运动的迁移率将非常高（特别是在较低温度下、晶格振动减弱时），故又称这些电子为高迁移率二维电子气。 2DEG和HEMT 选用晶格常数非常一致的两种半导体材料，如砷化镓与砷化镓铝，以外延法在n-GaAs单晶衬底上依次生长n-GaAlAs（空穴阻挡层）、p-GaAs（激活层）、p-GaAlAs（电子阻挡层）和p+-GaAs（接触层）等单晶薄层。在激活区p-GaAS两侧的两种半导体材料的交接层之间形成两个异质势垒，这种势垒结构称为双异质结。 和单异质结构相比,双异质结构不仅可以直接利用单异质结材料生长和结构优化的结果,更重要的是,通过底端被势垒层的插入,导电沟道中的2DEG被限制在了两个非常高的势垒之间，从而使导电沟道中的2DEG的限域性得到了显著增强。 双异质结及其特点 禁带宽度满足要求以及选择晶格失配较小的材料是形成理想半导体异质结的两大基本要求。一般的元素半导体和二元化合物半导体晶格失配较大，难以形成较为理想的异质结结构，反之由于三元合金的晶格常数是其组分的线性函数，可以通过调节合金中各元素组分改变其晶格常数，使其彼此之间的晶格匹配度增加，形成对应的较优异质结。III 族氮化物中异质结的组成也遵循该规律。 异质结材料选取 不论是AlxGa1-xN/GaN异质结还是InxGa1-xN/GaN异质结,形成的异质结都是属于第I类异质结,均有较大的导带断续,价带断续稍小一些。这种较大的导带不连续性为高浓度的异质结二维电子气的形成提供了条件。 异质结类型 部分半导体材料物理参数比较 材料方面：由于材料本身禁带宽度较高，AlGaN/GaN 异质结的导带断续要远远大于 AlGaAs/GaAs 异质结的导带断续。而且，晶格失配带来的高极化场也会进一步加大异质结导带的不连续性。由此可知AlGaN/GaN 异质结界面的能带弯曲程度会因为宽禁带宽度和大晶格失配大大增强。在异质结的 GaN 一侧界面处会形成高电子迁移率的二维电子气。 AlGaN/GaN异质结特点 2DEG来源：AlGaN 势垒层中的 n 型掺杂自发极化与压电极化所导致的内建极化电场是AlGaN/GaN 异质结中二维电子气产生的来源。而在AlGaAs中的n型掺杂提供电子进入GaAs并被束缚在异质结处的量子阱内。这两种机制下形成的2DEG的浓度是前者远大于后者。并且,在没有势垒掺杂的情况下极化电场仍然能够形成二维电子气。 AlGaN/GaN异质结 二维电子气(2DEG)的浓度及其分布,会直接影响基于异质结的HEMT的性能。对于普通单异质结HEMT器件,当工作在比较大的栅极和漏极电压下,2DEG会向沟道层的泄露。对于AlGaN/GaN双异质结构,引入了背势垒,由于背势垒的存在,降低了 2DEG泄漏的几率。因为,2DEG的迁移率要比体材料中的载流子迁移率大很多,所以这种结构有利于提高器件的速度和器件的击穿电压,提高了器件的关断特性,减少了器件的泄漏电流,从而极大的提高了器件工作的可靠性。随着器件栅长越来越小,双异质结的这些优势越来越明显。 AlGaN/GaN双异质结HEMT特点 GaN基双异质结 一个完整的AIGaN/GaN HEMT的制造通常只需以下三步关键工艺即可:台面隔离刻蚀、源/漏欧姆接触和肖特基栅接触。 HEMT制作工艺流程 HEMT器件及其集成电路都能够工作于超高频（毫米波）、超高速领域。 HEMT应用 毫米波雷达 超高速集成电路 谢谢观赏！ GaAs的带隙为1.42eV，污染环境，砷化物有毒物质，对环境会造成污染；机械强度较弱，易碎；砷化镓在一定条件下容易分解，而且砷材料是一种易挥发性物质，在其制备过程中，要保证严格的化学计量比是一件困难的事。