化合物半導(dǎo)體

1、化合物半導(dǎo)體高速集成電路.1化合物半導(dǎo)體是由兩種或多種元素組成的混晶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體。目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快的化合物半導(dǎo)體材料是III-V族化合物。.2化合物半導(dǎo)體集成電路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗輻射。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）化合物半導(dǎo)體材料具有很高的電子遷移率和電子漂移速度。（2）GaAs材料的肖特基勢(shì)壘特性比Si優(yōu)越。（3）GaAs的本征電阻率可達(dá)109比硅高四個(gè)數(shù)量級(jí)，為半絕緣襯底。4）禁帶寬度大，可以在Si器件難以工作的高溫領(lǐng)域工作。GaAs為直接帶隙半導(dǎo)體，可以發(fā)光。也就是說它可以實(shí)現(xiàn)光電集成。（6）抗輻射能力強(qiáng)。3.高性能化合物半導(dǎo)體材料制備設(shè)備主要為：分子束外延設(shè)備

2、MBE）和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積設(shè)備（MOCVD）。4GaAs材料為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，與金剛石結(jié)構(gòu)類似，所區(qū)別的是前者由兩類不同的原子組成。.5原子結(jié)合為晶體時(shí)，軌道交疊。外層軌道交疊程度較大，電子可從一個(gè)原子運(yùn)動(dòng)到另一原子中，因而電子可在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)，稱為電子的共有化運(yùn)動(dòng)6二維電子氣概念半導(dǎo)體表面反型層中的電子因處于如同被封閉于勢(shì)箱中的自由電子一樣，電子的德布羅意波長(zhǎng)與勢(shì)阱的寬度相當(dāng)，發(fā)生“量子尺寸效應(yīng)”。即在垂直方向的運(yùn)動(dòng)喪失了自由度，只存在有在表面內(nèi)兩個(gè)方向的自由度，它的散射幾率比三維電子氣小得多，因此遷移率高。.7.典型的二維電子氣（2-DEG）存在于以下結(jié)構(gòu)中：半導(dǎo)體表面反型層、異質(zhì)結(jié)的

3、勢(shì)阱、超薄層異質(zhì)結(jié)（量子阱結(jié)構(gòu)）。超晶格，是由幾種成分不同或摻雜不同的超薄層周期性地堆疊起來而構(gòu)成地一種特殊晶體。超薄層堆疊地周期（稱為超晶格地周期）要小于電子的平均自由程，各超薄層的寬度要與電子的德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)。其特點(diǎn)為在晶體原來的周期性勢(shì)場(chǎng)之上又附加了一個(gè)可以人為控制的超晶格周期勢(shì)場(chǎng)，是一種新型的人造晶體。.10。第I類超晶格復(fù)合超晶格（組分超晶格）超晶格第II類錯(cuò)開型超晶格第II類倒轉(zhuǎn)型超晶格第m類超晶格摻雜超晶格一調(diào)制摻雜超晶格11利用異質(zhì)結(jié)構(gòu)，重復(fù)單元是由組分不同的半導(dǎo)體薄膜形成的超晶格稱為復(fù)合超晶格，又稱為組分超晶格。利用超薄層材料外延技術(shù)（MBE或MOCVD）生長(zhǎng)具有量子尺寸效

4、應(yīng)的同一種半導(dǎo)體材料時(shí)，交替地改變摻雜類型的方法（即一層摻入N型雜質(zhì)，一層摻入P型雜質(zhì)），即可得到摻雜超晶格，又稱為調(diào)制慘雜超晶格。GaAs摻雜超晶格能帶示意圖受主空間距離14超晶格應(yīng)用舉例諧振隧道二極管(ResonantTunnelingDiode，RTD)典型GaAs和AlGaAs交替生長(zhǎng)構(gòu)成的雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)見圖3-2。當(dāng)勢(shì)阱寬度足夠窄時(shí)，阱中形成二維量子化能級(jí)EO、El、E2。15Rtd的負(fù)阻特性及各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)能帶圖，圖3-2RTD能帶結(jié)構(gòu)16.諧振隧穿器件特點(diǎn)：高頻、高速工作。低工作電壓和低功耗。負(fù)阻、雙穩(wěn)和自鎖特性。多種邏輯功能和用少量器件完成一定邏輯功能的特性。17由導(dǎo)電類型相反

5、的兩種半導(dǎo)體材料制成異質(zhì)結(jié)，若形成異質(zhì)結(jié)的兩種材料都是半導(dǎo)體，則為半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)。18先以p-NGaAsAlGaAs異質(zhì)結(jié)為例介紹一下異質(zhì)結(jié)的能帶圖。先看兩種材料形成異質(zhì)結(jié)之前的能帶圖。（E0：真空能級(jí)。表示電子跑出半導(dǎo)體進(jìn)入真空中所必須具有的最低能量，對(duì)所有材料都是相同的。X:電子親和勢(shì)。是一個(gè)電子從導(dǎo)帶底移動(dòng)到真空能級(jí)所需的能量，由材料的性質(zhì)決定，和其他外界因素?zé)o關(guān)。（P:功函數(shù)。表示將一個(gè)電子從費(fèi)米能級(jí)EF處轉(zhuǎn)移到真空能級(jí)所需的能量。費(fèi)米能級(jí)的高度與半導(dǎo)體所摻雜質(zhì)的類型和濃度有關(guān)。Eg1、Eg2分別表示兩種半導(dǎo)體材料的禁帶寬度；61為費(fèi)米能級(jí)EF1和價(jià)帶頂Evi的能量差，62為費(fèi)米能級(jí)EF

6、2與導(dǎo)帶底Ec2的能量差。）19形成異質(zhì)結(jié)后能帶圖pGaAsNAlGaAs20半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的伏安特性由圖可知，在不考慮界面態(tài)情況下，負(fù)反向勢(shì)壘p-N異質(zhì)結(jié)和p-n結(jié)類似，具有很好的整流特性（單向?qū)щ娦裕?；在正反向?shì)壘時(shí)幾乎不存在有整流特性，正向和反向電流隨外加電壓按指數(shù)函數(shù)關(guān)系增大。p-N型異質(zhì)結(jié)電流電壓特性關(guān)系實(shí)線負(fù)方向勢(shì)壘虛線正反向勢(shì)壘高電子遷移率晶體管（HighElectronMobilityTransistor,HEMT）,也稱為2DEG場(chǎng)效應(yīng)晶體管；因用的是調(diào)制摻雜的材料，所以又稱為調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)管。贋高電子遷移率晶體管（PHEMT）采用非摻雜的InGaAs代替非摻雜的GaAs作為2

7、DEG的溝道材料制成了贋高電子遷移率晶體管。23.InGaAs層厚度約為20nm,能吸收由于GaAs和InGaAs之間的晶格失配（約為1%）而產(chǎn)生的應(yīng)力，在此應(yīng)力作用下，InGaAs的晶格將被壓縮，使其晶格常數(shù)大致與GaAs與AlGaAs的相匹配,成為贋晶層。PHEMT較之常規(guī)HEMT有以下優(yōu)點(diǎn):（1）InGaAs層二維電子氣的電子遷移率和飽和速度皆高于GaAs因此工作頻率更高。InGaAs禁帶寬度小于GaAs,因此增加了導(dǎo)帶不連續(xù)性（3）InGaAs禁帶寬度低于兩側(cè)AlGaAs和GaAs材料的禁帶寬度，從而形成了量子阱，比常規(guī)HEMT對(duì)電子又多加了一個(gè)限制，有利于降低輸出電導(dǎo)，提高功率轉(zhuǎn)換效

8、率。異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管HeterojunctionBipolarTransistor（HBT）優(yōu)點(diǎn):異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管器件具有寬帶隙發(fā)射區(qū)，大大提高了發(fā)射結(jié)的載流子注入效率；基區(qū)可以高摻雜（可高達(dá)1020cm-3），基區(qū)電阻rb可以顯著降低，從而增加f；同時(shí)bmax基區(qū)不容易穿通，從而厚度可以做到很薄，即不限制器件尺寸縮??；發(fā)射結(jié)濃度可以很低（約1017cm-3）,從而發(fā)射結(jié)耗盡層電容大大減小，器件的fT增大。HBT具有功率密度高、相位噪聲低、線性度好等特點(diǎn)，在微波高效率應(yīng)用方面比MESFET、HEMT更有優(yōu)勢(shì)。26HBT有代表性的四種結(jié)構(gòu)為:（1）突變發(fā)射結(jié)結(jié)構(gòu)（2）緩變發(fā)射結(jié)結(jié)構(gòu)（3）緩變

9、發(fā)射結(jié)、緩變基區(qū)結(jié)構(gòu)（4）突變發(fā)射發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)28.光子HBT(HPT)采用寬帶隙發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)。特定頻率入射光照射發(fā)射區(qū)時(shí)，由于其帶隙較寬，對(duì)入射光子沒有響應(yīng)，對(duì)入射光透明，這一效應(yīng)稱為“窗口效應(yīng)”。29.GaAs材料外延的方法有MBE(MolecularBeamEpitaxy)分子束外延、MOCVD(MetalOrganicChemicalVaporDeposition)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、LPE(LiquidPhaseEpitaxy)液相外延、VPE(VaporPhaseEpitaxy)氣相外延、CBE(ChemistryBeamEpitaxy)化學(xué)束外延等。.30.MBE與MOCVD

10、相比，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：純度高，MBE生長(zhǎng)過程是在超高真空中進(jìn)行，因此生長(zhǎng)出的外延材料有很高的純度生長(zhǎng)溫度低，可避免互擴(kuò)散，因此可在界面處形成超精細(xì)結(jié)構(gòu)精確控制的束流和較低的生長(zhǎng)速率，可精確控制超薄層的生長(zhǎng)厚度但也存在一些不足，如：生長(zhǎng)外延材料速度較慢，價(jià)格昂貴等。另外,MBE設(shè)備一般一次只能生長(zhǎng)一片或幾片外延材料，不適于大規(guī)模生產(chǎn)。.31.FET基本類型包括金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET，金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管MESFET。在MESFET中，柵極金屬和半導(dǎo)體接觸構(gòu)成的肖特基結(jié)起到了至關(guān)重要的控制作用，金屬柵與其他的半導(dǎo)體材料形成的金屬半導(dǎo)體結(jié)具有整流特性，這種金屬半導(dǎo)體接觸稱作肖特基勢(shì)壘結(jié)，這種結(jié)

11、構(gòu)形成的勢(shì)壘為肖特基勢(shì)壘。形成的物理機(jī)制為當(dāng)金屬和n型半導(dǎo)體靠在一起，兩種材料之間電子就會(huì)通過交換達(dá)到一個(gè)熱平衡，最終使整個(gè)結(jié)的費(fèi)米能級(jí)處處相等。開始的時(shí)候，電子從金屬中逃逸要比從半導(dǎo)體中逃逸所遇到的勢(shì)壘要高。因而在達(dá)到熱平衡的過程中，有凈電子流從半導(dǎo)體流向金屬，使金屬帶負(fù)電，半導(dǎo)體帶正電。半導(dǎo)體中的正電荷是由界面處電子耗盡后剩余的一薄層帶正電的施主離子所形成的。不同摻雜濃度GaAs材料和金屬接觸能帶圖MESFET的工作原理：如果漏極偏壓較小的話，耗盡區(qū)寬度隨位置x的變化為式(8-3),這個(gè)方法稱為緩變溝道近似(GCA)：一、128Vbi-Vgs+V(x)h(x)=sbgsqND當(dāng)漏極偏壓達(dá)到

12、一定值,導(dǎo)電溝道寬度和耗盡區(qū)寬度一致時(shí)，在柵極近漏端導(dǎo)電溝道被夾斷,此時(shí)緩變溝道近似模型失效,此時(shí)器件電子遷移率和飽和電場(chǎng)關(guān)系可以用分段近似來描述。器件設(shè)計(jì)工作的任務(wù)是：在給定輸出功率、增益、效率等技術(shù)指標(biāo)的情況下，通過理論分析計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)規(guī)范求得FET的縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)、橫向結(jié)構(gòu)參數(shù)，為此須對(duì)器件進(jìn)行電學(xué)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)。典型GaAsFET四層材料結(jié)構(gòu)及各層載流子分布示意圖：cap層/有源層/過渡區(qū)/緩沖層PECVD反應(yīng)室中，電子需要的能量從高頻電場(chǎng)得到，自由電子撞擊反應(yīng)器內(nèi)的氣體原子和分子，當(dāng)電子的能量大于分子的鍵能時(shí)，被碰撞的分子變成自由基，產(chǎn)生離化。分子變成自由基和離子時(shí)，同時(shí)發(fā)射二次電子和光子，產(chǎn)生更多的自由基和離子，即開始雪崩過程，該過程又叫等離子體充電。此過程使得少部分氣體分子和原于離解成離子、自由電子、自由基和亞穩(wěn)態(tài)的核，形成等離子體.繼而，由于部分電子和離子被電極和腔體壁吸收，整個(gè)輝光過程趨于平衡狀態(tài)，這是一種動(dòng)態(tài)的相對(duì)平衡。(理解)38干法刻蝕蝕技術(shù)是指用等離子體激活的化學(xué)反應(yīng)或用高能離子束去除物質(zhì)的方法。干法刻蝕包含有離子直接參與反應(yīng)的化學(xué)刻蝕，濺射損傷并去除損傷的物理腐蝕，損傷和增強(qiáng)離子反應(yīng)能量的物理化學(xué)腐蝕等。39干法刻蝕基本的過程有兩種，一種是輝光放電產(chǎn)生的活性粒子與基片表面產(chǎn)生