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新型磷化銦鎵/砷化鎵/鉍砷化鎵與磷化銦/砷化銦鎵異質結構電晶體之電性研究

為了解決tasker下載的問題，作者吳宜蓁 這樣論述：

　　　基於極佳的高速表現、微波特性及高電流驅動能力，架構於三五族材料系統之異質結構電晶體已經被廣泛地製造與驗證。在本論文中，吾人利用選擇性之蝕刻製程步驟以及二維模擬分析方式成功地研製出磷化銦鎵（InGaP）/砷化鎵（GaAs）/鉍砷化鎵（GaAsBi）和磷化銦（InP）/砷化銦鎵（InGaAs）材料系統之異質接面電晶體。本論文之主要重點著重於對磷化銦/砷化銦鎵傳統結構的改良與設計，如：引用一新型的共積體化異質接面雙極性和場效電晶體（BiFETs）、引用第二型（Type-II）銻砷化鎵/砷化銦鎵異質接面結構取代傳統的磷化銦/砷化銦鎵第一型（Type-I）異質接面結構，以及使用一新穎之三五族材料

-鉍砷化鎵（GaAsBi）取代傳統砷化鎵材料做為異質接面雙極性電晶體（HBT）的基極層。此外，本論文也提出一磷化銦鎵（InxGa1-xP，x：0.52→1）變晶性（metamorphic）緩衝層，藉以使磷化銦系之電晶體能夠建構在低成本的砷化鎵基板上。　　　共積體異質接面雙極性和場效電晶體最主要的特色在於設置一具有擬晶（peudomorphic）通道場效電晶體（FET）於同樣具有擬晶基-射極空間層異質接面雙極性電晶體之上。而在場效電晶體部分，有鑑於磷化銦/砷化銦鎵異質接面間之導電帶不連續值（ΔEc）較大，吾人採用一薄且重摻雜之砷化銦鎵擬晶通道於兩未摻雜之磷化銦之間，可形成一大能障，防止電子從通道

注入閘極電極；另一方面，於異質接面雙極性電晶體之基-射接面處，兩未摻雜之砷化銦鎵空間層間使用一層單原子層摻雜，使射極整個能帶拉低，進而增加電洞的侷限效應，冀望藉由此元件設計可有效地改善元件線性度和直流特性。由實驗得知，該元件於場效電晶體方面顯示極佳的轉導值及汲極電流；而於異質接面雙極性電晶體方面也顯示了極佳的電流增益和集極電流特性，另外，元件還具有一個極低的共射極補償電壓（offset voltage），其值為50mV，故此元件極適合應用在低功率電路上。　　　對於第一型異質接面磷化銦/砷化銦鎵摻雜通道場效電晶體而言，由於磷化銦/砷化銦鎵之導電帶不連續值較第二型異質接面銻砷化鎵/砷化銦鎵還低，在

熱平衡時，銻砷化鎵/砷化銦鎵元件之通道-n+-砷化銦鎵導電帶低於費米能階，通道形成一位能井（quantum-well），此位能井可以侷限更多的載子，使二維電子雲氣（2DEG）增加，銻砷化鎵/砷化銦鎵元件之表現如同一空乏型電晶體。在第三章中，吾人利用理論模擬軟體個別研究第一型異質接面磷化銦/砷化銦鎵摻雜通道場效電晶體和第二型異質接面銻砷化鎵/砷化銦鎵摻雜通道場效電晶體，並深入探討在熱平衡和加偏壓時之元件特性。模擬結果顯示銻砷化鎵/砷化銦鎵元件具有較大之轉導值和汲極電流，但由於在加偏壓下，銻砷化鎵/砷化銦鎵元件之通道中的載子因穿隧效應（tunneling），容易通過尖峰能障注入閘極電極，因而銻砷化

鎵/砷化銦鎵元件有較大之閘極漏電流（leakage current）和較低之導通電壓 (turn-on voltage)。　　　對異質接面雙極性電晶體而言，由於射-基接面之導電帶不連續值的存在使得元件的特性受其影響而不盡理想，雖然磷化銦鎵/砷化鎵材料系統已具一較小之導電帶不連續值，然此導電帶不連續值及其延伸之缺點依舊影響著元件之性能。在第四章中，吾人利用一新穎材料-鉍砷化鎵，取代傳統砷化鎵材料做為元件之基極層。因砷化鎵/鉍砷化鎵異質接面間之能帶不連續值幾乎落在價電帶不連續（ΔEv），亦即其導電帶不連續值幾乎趨近於零（ΔEc~0），而自基極注入射極之電洞，基於電洞穿透機率十分微小，使大部分的電洞

皆因受能障所侷限而堆積，因而可改善射極注入效率。此外，為了加強元件特性，吾人另引用一超晶格射極（Superlattice-Emitter）結構以取代原先之磷化銦鎵射極層，模擬結果顯示，在偏壓下，載子在超晶格射極中因穿隧效應，能快速地從射極傳輸到基極，元件展現了較低的導通電壓和補償電壓。然而上述兩元件在偏壓下，基極中的少數載子濃度增加，產生了些許的基極複合電流。即便如此，在基極中存有較多電子，反而促進集極電流增加，結果顯示，元件可操作在非常寬的集極電流範圍，高達12個數量級。