文章來源：學習那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了化合物半導體器件的定義和工藝。

化合物半導體器件與集成技術

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

通過材料生長與調控技術，如液相外延（LPE）、氣相外延（VPE）、金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）和分子束外延（MBE），可實現能帶結構的精確裁剪，形成異質結、超晶格等量子結構，為器件性能突破提供物理基礎，本文分述如下：

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

化合物半導體器件中的特殊概念

異質結是化合物半導體器件的核心創新點。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。例如，在GaAs/AlGaAs異質結中，導帶階差ΔEc與價帶階差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10?cm2/V·s（液氦溫度）。

異質結的勢壘形態（方形、三角形、梯形）通過量子隧穿效應調控電流，是實現高頻、高速器件的關鍵。

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關系，適用于共振隧穿二極管（RTD）

典型應用：超高速數字電路（開關時間<1ps）

三角形勢壘（Graded Heterojunction）

形成條件：組分漸變界面（如InGaAs/InP）

輸運機制：熱電子發射主導，適合制作異質結雙極晶體管（HBT）基區

優勢特征：基區渡越時間縮短至10?12s量級

梯形勢壘（Digital Alloy）

結構特點：超晶格周期結構（如GaAs/AlAs多層膜）

量子效應：產生迷你帶（Miniband）輸運，實現負微分電阻特性

器件應用：量子阱紅外探測器（QWIP），響應波長8-12μm

化合物MESFET及集成工藝

金屬-半導體場效應晶體管（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，調節夾斷電壓（Vp），實現增強型（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（電阻率>10?Ω·cm）。

HEMT及制造工藝

高電子遷移率晶體管（HEMT）通過異質結能帶工程實現2DEG的高密度輸運。

其結構包括：

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。

制造工藝關鍵步驟：

MBE外延：層結構精度<0.1nm，組分波動<0.5%。

臺面隔離：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。

化合物半導體HBT及制造工藝

異質結雙極晶體管（HBT）通過非對稱能帶結構提升電流增益。

其核心公式為：

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

外延生長：InGaP/GaAs體系，界面粗糙度<0.5nm。

臺面隔離：重離子注入（如B ^+^ )，劑量5×1013cm?2。

基區接觸：Pt/Ti/Au多層金屬，接觸電阻0.1Ω·mm。

發射極金屬化：AuGe/Ni/Au合金化，肖特基勢壘高度0.8eV。