1、化合物半导体高速集成电路.1化合物半导体是由两种或多种元素组成的混晶结构半导体。目前应用最广、发展最快的化合物半导体材料是- 族化合物。.2化合物半导体集成电路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗辐射。具体表现在以下几个方面：（1）化合物半导体材料具有很高的电子迁移率和电子漂移速度。 （2）GaAs 材料的肖特基势垒特性比 Si 优越。 （3）GaAs 的本征电阻率可达 109，比硅高四个数量级，为半绝缘衬底。4）禁带宽度大，可以在 Si 器件难以工作的高温领域工作。 GaAs 为直接带隙半导体，可以发光。也就是说它可以实现光电集成。 （6）抗辐射能力强。.3高性能化合物半导体材料制备设备主
2、要为：分子束外延设备（MBE）和金属有机物化学气相沉积设备（MOCVD） 。4GaAs 材料为闪锌矿结构，与金刚石结构类似，所区别的是前者由两类不同的原子组成。.5 原子结合为晶体时，轨道交叠。外层轨道交叠程度较大，电子可从一个原子运动到另一原子中，因而电子可在整个晶体中运动，称为电子的共有化运动6二维电子气概念半导体表面反型层中的电子因处于如同被封闭于势箱中的自由电子一样，电子的德布罗意波长与势阱的宽度相当，发生“量子尺寸效应”。即在垂直方向的运动丧失了自由度，只存在有在表面内两个方向的自由度，它的散射几率比三维电子气小得多，因此迁移率高。.7典型的二维电子气（2DEG）存在于以下结构中：半
3、导体表面反型层、 异质结的势阱、超薄层异质结（量子阱结构） 。8超晶格，是由几种成分不同或掺杂不同的超薄层周期性地堆叠起来而构成地一种特殊晶体。9超薄层堆叠地周期（称为超晶格地周期）要小于电子的平均自由程，各超薄层的宽度要与电子的德布罗意波长相当。其特点为在晶体原来的周期性势场之上又附加了一个可以人为控制的超晶格周期势场，是一种新型的人造晶体。.10。11利用异质结构，重复单元是由组分不同的半导体薄膜形成的超晶格称为复合超晶格，又称为组分超晶格。12利用超薄层材料外延技术（MBE 或 MOCVD）生长具有量子尺寸效应的同一种半导体材料时，交替地改变掺杂类型的方法（即一层掺入 N 型杂质，一层掺
4、入 P 型杂质） ，即可得到掺杂超晶格，又称为调制惨杂超晶格。13GaAs 掺杂超晶格能带示意图14超晶格应用举例 谐振隧道二极管（ Resonant Tunneling Diode ，RTD ）典型 GaAs 和 AlGaAs 交替生长构成的双势垒结构能带结构见图 3-2。当势阱宽度足够窄时，阱中形成二维量子化能级E0、E1、E2。15Rtd 的负阻特性及各点所对应能带图，16谐振隧穿器件特点：高频、高速工作。低工作电压和低功耗。负阻、双稳和自锁特性。多种逻辑功能和用少量器件完成一定逻辑功能的特性。17由导电类型相反的两种半导体材料制成异质结，若形成异质结的两种材料都是半导体，图 3-2 R
5、TD 能带结构图 3-3 RTD 负阻特性则为半导体异质结。18先以p-N GaAsAlGaAs异质结为例介绍一下异质结的能带图。先看一下两种材料形成异质结之前的能带图。E0Ev1Eg1Ec2Eg2Ev2Ec11211（E0：真空能级。表示电子跑出半导体进入真空中所必须具有的最低能量，对所有材料都是相同的。：电子亲和势。是一个电子从导带底移动到真空能级所需的能量，由材料的性质决定，和其他外界因素无关。：功函数。表示将一个电子从费米能级 EF 处转移到真空能级所需的能量。费米能级的高度与半导体所掺杂质的类型和浓度有关。Eg1、Eg2 分别表示两种半导体材料的禁带宽度；1 为费米能级 EF1 和价
6、带顶 Ev1 的能量差，2 为费米能级 EF2 与导带底 Ec2 的能量差。 ）19形成异质结后能带图pGaAs NAlGaAs20半导体异质结的伏安特性由图可知，在不考虑界面态情况下，负反向势垒p-N异质结和p-n结类似，具有很好的整流特性（单向导电性） ；在正反向势垒时几乎不存在有整流特性，0JV p-N型异质结电流电压特性关系实线负方向势垒虚线正反向势垒正向和反向电流随外加电压按指数函数关系增大。p-N 型异质结电流电压特性关系-实线负方向势垒 虚线正反向势垒21. 高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor ，HEMT） ，也称为 2DEG
7、场效应晶体管；因用的是调制掺杂的材料，所以又称为调制掺杂场效应管。22. 赝高电子迁移率晶体管(PHEMT) 采用非掺杂的 InGaAs 代替非掺杂的 GaAs 作为2DEG 的沟道材料制成了赝高电子迁移率晶体管。23.InGaAs 层厚度约为 20nm，能吸收由于 GaAs 和 InGaAs 之间的晶格失配（约为 1）而产生的应力，在此应力作用下，InGaAs 的晶格将被压缩，使其晶格常数大致与 GaAs 与AlGaAs 的相匹配，成为赝晶层。 24. PHEMT 较之常规 HEMT 有以下优点：(1)InGaAs 层二维电子气的电子迁移率和饱和速度皆高于 GaAs 因此工作频率更高。(2)
8、InGaAs 禁带宽度小于 GaAs，因此增加了导带不连续性(3)InGaAs 禁带宽度低于两侧 AlGaAs 和 GaAs 材料的禁带宽度，从而形成了量子阱，比常规 HEMT 对电子又多加了一个限制，有利于降低输出电导，提高功率转换效率。25. 异质结双极性晶体管 Hetero junction Bipolar Transistor （HBT）优点：异质结双极性晶体管器件具有宽带隙发射区，大大提高了发射结的载流子注入效率；基区可以高掺杂（可高达 1020cm-3)，基区电阻 rb 可以显著降低，从而增加 fmax ；同时基区不容易穿通，从而厚度可以做到很薄，即不限制器件尺寸缩小；发射结浓度可
9、以很低（约 1017cm-3）,从而发射结耗尽层电容大大减小，器件的 fT 增大。HBT 具有功率密度高、相位噪声低、线性度好等特点，在微波高效率应用方面比MESFET 、HEMT 更有优势。26HBT 有代表性的四种结构为：（1）突变发射结结构（2）缓变发射结结构（3）缓变发射结、缓变基区结构（4）突变发射结、缓变基区结构.27突变发射结 HBT 能带图缓变发射结 HBT 热平衡状态下能带图和放大工作状态下能带图（a）缓变发射结、缓变基区 HBT 能带图 （b）突变发射结、缓变基区 HBT 能带图28.光子 HBT（HPT） 采用宽带隙发射区结构。特定频率入射光照射发射区时，由于其带隙较宽，
10、对入射光子没有响应，对入射光透明，这一效应称为“窗口效应” 。29GaAs 材料外延的方法有 MBE（Molecular Beam Epitaxy）分子束外延、MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）金属有机化学气相沉积、LPE（Liquid Phase Epitaxy）液相外延、VPE （Vapor Phase Epitaxy）气相外延、CBE（Chemistry Beam Epitaxy）化学束外延等。.30MBE 与 MOCVD 相比，有以下几个优点：1）纯度高，MBE 生长过程是在超高真空中进行，因此生长出的外延材料有很高的纯度2）生
11、长温度低，可避免互扩散，因此可在界面处形成超精细结构3）精确控制的束流和较低的生长速率，可精确控制超薄层的生长厚度但也存在一些不足，如：生长外延材料速度较慢，价格昂贵等。另外，MBE 设备一般一次只能生长一片或几片外延材料，不适于大规模生产。.31FET 基本类型包括金属氧化物场效应管 MOSFET，金属半导体场效应管 MESFET。32在 MESFET 中，栅极金属和半导体接触构成的肖特基结起到了至关重要的控制作用，金属栅与其他的半导体材料形成的金属半导体结具有整流特性，这种金属半导体接触称作肖特基势垒结，这种结构形成的势垒为肖特基势垒。形成的物理机制为当金属和 n 型半导体靠在一起 ，两种
12、材料之间电子就会通过交换达到一个热平衡，最终使整个结的费米能级处处相等。开始的时候，电子从金属中逃逸要比从半导体中逃逸所遇到的势垒要高。因而在达到热平衡的过程中，有净电子流从半导体流向金属，使金属带负电，半导体带正电。半导体中的正电荷是由界面处电子耗尽后剩余的一薄层带正电的施主离子所形成的。33不同掺杂浓度 GaAs 材料和金属接触能带图.34MESFET 的工作原理：如果漏极偏压 较小的话，耗尽区宽度随位置 x 的变化为式(8-3), 这个方法称为 缓变沟道近似 （GCA ）：当漏极偏压达到一定值,导电沟道宽度和耗尽区宽度一致时，在栅极近漏端导电沟道被夹断,此时缓变沟道近似模型失效,此时器件
13、电子迁移率和饱和电场关系可以用分段近似来描述。35器件设计工作的任务是：在给定输出功率、增益、效率等 技术指标的情况下，通过理论分析计算和经验规范求得 FET 的纵向结构参数.、横向结构参数，为此须对器件进行电学设计、结构设计、可靠性设计。36典型 GaAs FET 四层材料结构及各层载流子分布示意图：cap 层/有源层/ 过渡区/缓冲层3737PECVD 反应室中，电子需要的能量从高频电场得到，自由电子撞击反应器内的气体原子和分子，当电子的能量大于分子的键能时，被碰撞的分子变成自由基，产生离化。分子变成自由基和离子时，同时发射二次电子和光子，产生更 多的自由基和离子，即开始雪崩过程，该过程又
14、叫等离子体充电。 此过程使得少部分气体分子和原于离解成离子、自由电DGSbisqNxVxh)(2)(子、自由基 和亚稳态的核，形成等离子体继而，由于部分电子和离子被电极 和腔体壁吸收，整个辉光过程趋于平衡状态，这是一种动态的相对平衡。 （理解）38干法刻蚀蚀技术是指用等离子体激活的化学反应或用高能离子束去除物质的方法。干法刻蚀包含有离子直接参与反应的化学刻蚀，溅射损伤并去除损伤的物理腐蚀，损伤和增强离子反应能量的物理化学腐蚀等。39干法刻蚀基本的过程有两种，一种是辉光放电产生的活性 粒子与基片表面产生化学反应形成挥发性产物；另一种是高能离子轰击样品表面使原子从晶格中脱落。40GaAs 工艺主要的镀膜设备是电子束蒸发台和磁控溅射台。41单片电路是在半绝缘半导体衬底上用外延、注入、光刻、蒸发、溅射等工艺方法形成无缘和有源器件，并连接起来构成的功能电路。42单片电路优点：便于灵活设计多功能电路，体积、尺寸小，可靠性强，成本低便于批量生产。缺点：芯片生产后特性参数难以调整，查找故障困难，部分故障可使整片报废。
