文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了化合物半導(dǎo)體器件的定義和工藝。

化合物半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)

化合物半導(dǎo)體器件以Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族元素通過共價(jià)鍵形成的材料為基礎(chǔ)，展現(xiàn)出獨(dú)特的電學(xué)與光學(xué)特性。以砷化鎵（GaAs）為例，其電子遷移率高達(dá)8500cm2/V·s，本征電阻率達(dá)10?Ω·cm，是制造高速、高頻、抗輻射器件的理想材料。

通過材料生長與調(diào)控技術(shù)，如液相外延（LPE）、氣相外延（VPE）、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）和分子束外延（MBE），可實(shí)現(xiàn)能帶結(jié)構(gòu)的精確裁剪，形成異質(zhì)結(jié)、超晶格等量子結(jié)構(gòu)，為器件性能突破提供物理基礎(chǔ)，本文分述如下：

• 化合物半導(dǎo)體器件中的特殊概念
• 化合物MESFET及集成工藝
• HEMT及制造工藝
• 化合物半導(dǎo)體HBT及制造工藝

化合物半導(dǎo)體器件中的特殊概念

異質(zhì)結(jié)是化合物半導(dǎo)體器件的核心創(chuàng)新點(diǎn)。通過不同禁帶寬度材料的組合，形成能帶勢壘或勢阱，顯著影響載流子輸運(yùn)。例如，在GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)中，導(dǎo)帶階差ΔEc與價(jià)帶階差ΔEv的比值約為0.6-0.7，形成天然量子阱，束縛電子形成二維電子氣（2DEG），遷移率可達(dá)10?cm2/V·s（液氦溫度）。

異質(zhì)結(jié)的勢壘形態(tài)（方形、三角形、梯形）通過量子隧穿效應(yīng)調(diào)控電流，是實(shí)現(xiàn)高頻、高速器件的關(guān)鍵。

方形勢壘（Abrupt Heterojunction）

形成條件：組分突變界面（如GaAs/AlGaAs）

隧穿特性：隧穿概率與勢壘高度呈指數(shù)關(guān)系，適用于共振隧穿二極管（RTD）

典型應(yīng)用：超高速數(shù)字電路（開關(guān)時(shí)間<1ps）

三角形勢壘（Graded Heterojunction）

形成條件：組分漸變界面（如InGaAs/InP）

輸運(yùn)機(jī)制：熱電子發(fā)射主導(dǎo)，適合制作異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）基區(qū)

優(yōu)勢特征：基區(qū)渡越時(shí)間縮短至10?12s量級(jí)

梯形勢壘（Digital Alloy）

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：超晶格周期結(jié)構(gòu)（如GaAs/AlAs多層膜）

量子效應(yīng)：產(chǎn)生迷你帶（Miniband）輸運(yùn)，實(shí)現(xiàn)負(fù)微分電阻特性

器件應(yīng)用：量子阱紅外探測器（QWIP），響應(yīng)波長8-12μm

化合物MESFET及集成工藝

金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFET）利用肖特基勢壘控制溝道載流子耗盡。GaAs MESFET通過槽柵工藝控制溝道剩余厚度，調(diào)節(jié)夾斷電壓（Vp），實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型（Vp>0）與耗盡型（Vp<0）器件。

其集成工藝包括：

外延生長：在半絕緣GaAs襯底上生長N型GaAs溝道層（MOCVD或MBE）。

源漏歐姆接觸：采用AuGe/Ni/Au合金化，接觸電阻<5×10??Ω·cm2。

槽柵刻蝕：濕法腐蝕控制剩余溝道厚度（50nm），精度<5nm。

隔離工藝：離子注入形成高阻隔離區(qū)（電阻率>10?Ω·cm）。

HEMT及制造工藝

高電子遷移率晶體管（HEMT）通過異質(zhì)結(jié)能帶工程實(shí)現(xiàn)2DEG的高密度輸運(yùn)。

其結(jié)構(gòu)包括：

HJFET：插入寬禁帶AlGaAs緩沖層，降低襯底漏電。

MODFET：非摻雜i-GaAs溝道與δ摻雜n?-AlGaAs供體層組合，形成2DEG密度3×1012cm?2。

pHEMT：引入InGaAs贗晶溝道與Delta摻雜，2DEG密度提升至5×1012cm?2，遷移率突破10?cm2/V·s。

制造工藝關(guān)鍵步驟：

MBE外延：層結(jié)構(gòu)精度<0.1nm，組分波動(dòng)<0.5%。

臺(tái)面隔離：重離子注入（如B ^+^ )，隔離電阻>10?Ω。

源漏接觸：AuGe/Ni/Au合金化，接觸電阻0.08Ω·mm。

槽柵工藝：H3PO4基濕法腐蝕，柵長定義分辨率30nm。

化合物半導(dǎo)體HBT及制造工藝

異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）通過非對(duì)稱能帶結(jié)構(gòu)提升電流增益。

其核心公式為：

其中，基區(qū)摻雜濃度NB可高達(dá)1×102?cm?3，顯著降低基區(qū)電阻。制造工藝包括：

外延生長：InGaP/GaAs體系，界面粗糙度<0.5nm。

臺(tái)面隔離：重離子注入（如B ^+^ )，劑量5×1013cm?2。

基區(qū)接觸：Pt/Ti/Au多層金屬，接觸電阻0.1Ω·mm。

發(fā)射極金屬化：AuGe/Ni/Au合金化，肖特基勢壘高度0.8eV。