微波雙極晶體管

1、鍵入文字中國科學技術大學鍵入文字中國科學技術大學SiGe異質結雙極晶體管半導體器件原理調研小論文李南云SA161730272016年12月3日星期六摘要隨著微波半導體技術的迅速發(fā)展，其應用領域也不斷擴大，相對的對器件的性能提出的要求也越來越高，在這種情況下，異質結雙極晶體管（HBT）被提出來，這種晶體管最初稱為“寬發(fā)射區(qū)”晶體管。其主要特點是發(fā)射區(qū)材料的禁帶寬度大于基區(qū)材料的禁帶寬度。由于HBT能在更高的頻率下獲得與硅雙極晶體管相似的性能，因而它一出世就獲得了人們的重視 。異質結雙極晶體管（HBT）的結構特點是具有寬帶間隙的發(fā)射區(qū)，HBT的功率密度高、相位噪聲低、線性度好，單電源工作，雖然其高

2、頻工作性能稍遜于PHEMT，但是它特別適合于低相位噪聲振蕩器、高功率放大器及寬帶放大器。在微波頻率，用GaAs HBT代替功率MOFET或者HEMT更有前途。關鍵詞：異質結雙極晶體管、HBT、GaAs、SiGe、半導體引言 隨著現代移動通信以及微波通信的發(fā)展，人們對半導體器件的高頻以及低噪聲等性能要求日益提高。傳統的Si材料器件己經無法滿足這些性能上新的要求，而GaAs器件雖然可以滿足這些性能，不過它的高成本也讓人望而卻步。SiGe HBT器件的高頻以及噪聲性能大大優(yōu)于Si雙極晶體管，可與GaAs器件媲美，而且它還可以與傳統的Si工藝兼容，大大降低了制造成本，所以SiGe HBT在未來的移動通

3、信等領具有非常廣闊的應用前景。個固態(tài)電子設備的體積、重量、性能、價格和可靠性很大程度上都取決于雙極功率器件及放大器性能，因此提高該類器什的性能具有很大的應用價值和現實意義。實際上HBT的概念早在1951年由W.B.肖克萊提出了，但是真正得以實現是在Ga Al As/GaAs外延生長技術成熟之后，70年代中期，在解決了砷化鎵的外延生長問題之后，這種晶體管才得到較快的發(fā)展。異質結雙極晶體管（HBT）的基本結構和特點1 異質結雙極晶體管異質結雙極晶體管HBT是指發(fā)射區(qū)、基區(qū)和收集區(qū)由禁帶寬度不同的材料制成的晶體管。異質結雙極晶體管類型很多，主要有SiGe異質結雙極晶體管，GaA1As/GaAs異質結

4、晶體管和NPN型InGaAsP/InP異質結雙極晶體管，NPN型A1GaN/GaN異質結雙極晶體管等。異質結雙極晶體管與傳統的雙極晶體管不同，前者的發(fā)射極材料不同于襯底材料，后者的整個材料是一樣的，因而稱為異質結器件。異質結雙極晶體管的發(fā)射極效率主要由禁帶寬度差決定，幾乎不受摻雜比的限制，大大地增加了晶體管設計的靈活性。 2異質結雙極晶體管的結構圖圖1 HBT基本結構圖3異質結雙極晶體管的特點 ：基區(qū)可以高摻雜(可高達10201 cm3 ) ,則基區(qū)不易穿通，從而基區(qū)厚度可以很小(則不限制器件尺寸的縮小)；：因為基區(qū)高摻雜，則基區(qū)電阻很小，最高振蕩頻率幾fmax得以提高；：基區(qū)電導調制不明顯，

5、則大電流密度時的增益下降不大；：基區(qū)電荷對C結電壓不敏感，則Early電壓得以提高；：發(fā)射區(qū)可以低摻雜(如10171 cm3)，則發(fā)射結勢壘電容降低，晶體管的特征頻率fT提高；：可以做成基區(qū)組分緩變的器件，則基區(qū)中有內建電場，從而載流子渡越基區(qū)的時間得以減短。4結構分析 異質結雙極晶體管的基本結構是SiGe材料作為基區(qū)，基區(qū)上下兩層分別是Si基的發(fā)射區(qū)和集電區(qū)。主要特點是發(fā)射區(qū)材料的禁帶寬度EgB。大于基區(qū)材料的禁帶寬度EgE從發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入的電子流In和反向注入的空穴流Ip所克服的勢壘高度是不同的，二者之差為：Eg = EgE -EgB因而空穴的注入受到極大抑制。發(fā)射極效率主要由禁帶寬度差

6、Eg決定，幾乎不受摻雜比的限制。這就大大地增加了晶體管設計的靈活性。 典型的NPN臺面型GaAIAs/GaAs異質結晶體管的結構不雜質剖面能大幅度地減小發(fā)射結電容(低發(fā)射區(qū)濃度)和基區(qū)電阻(高基區(qū)濃度)。最上方的N+-GaAs頂層用來減小接觸電阻。這種晶體管的主要電參數水平已達到：電流增益hfe1000,擊穿電壓Bv120伏，特征頻率fT15吉赫。它的另些優(yōu)點是開關速度快、工作溫度范圍寬(269+350)。除了NPN型GaAs寬發(fā)射區(qū)管外，還有雙異質結NPN型GaAs管、以金屬做收集區(qū)的NPM型GaAs和PNP型GaAs管等。另一類重要的異質結晶體管是NPN型InGaAsP/InP管。InGa

7、AsP具有比GaAs更高的電了遷移率，并且在光纖通信中有重要應用。異質結晶體管適于作微波晶體管、高速開關管和光電晶體管。已試制出相應的高速數字電路（I2L）和單片光電集成電路。SiGe異質結雙極晶體管原理 以SiGe HBT為例，它與Si BJT相比性能優(yōu)越，其根本在于前者發(fā)射結兩邊材料的禁帶寬度不一樣，即SiGe HBT是寬禁帶發(fā)射極這點可以通過下圖的器件能帶圖加以說明，其中假設SiGe基區(qū)中的Ge組分和雜質的分布是均勻的，虛線為Si BJT的能帶圖，可以看到在Si BJT中發(fā)射區(qū)電了注入到基區(qū)需要越過的勢壘qVn與基區(qū)空穴注入到發(fā)射區(qū)需要越過的勢壘qVp相等，因此要提高發(fā)射結的注入效率唯一

8、的方法只能是提高發(fā)射區(qū)和基區(qū)的摻雜濃度之比，因此為了獲得一定的電流增益，就要盡量降低基區(qū)摻雜，而這又要一導致非本征基區(qū)串聯電阻增加，晶體管的噪音系數增加，最高振蕩頻率fmax降低。而要降低噪音系數，必須相應增加基區(qū)的厚度，這又要導致多數載流了電了在基區(qū)的渡越時間增加，器件的頻率特性下降。圖2 SiGe HBT（實線）與Si BJT（虛線）的能帶示意圖在SiGe HBTT中這一問題就得到了徹底的解決，本質在于SiGe HBT中基區(qū)SiGe合金的禁帶寬度與發(fā)射區(qū)的Si不一樣，這桿在發(fā)射結處兩者必然要產生一個能帶差，而在SiGe HBT中因為應變的SiGe合金層是生長在Si襯底上的，因此兩者之間的能

9、帶差主要表現為價帶的不連續(xù)，這樣發(fā)射區(qū)電子要注入到基區(qū)需要越過的勢壘qVn就要大大小于基區(qū)空穴注入到發(fā)射區(qū)需要越過的勢壘qVp，這同時也一導致發(fā)射結的注入效率大大提高，因此此時要獲得與同質結相同的電流增益，SiGe基區(qū)的摻雜濃度可以高于Si BJT，甚至發(fā)射極的摻雜濃度，這樣就可以減小基區(qū)的串聯電阻提高器件的最高振蕩頻率，同時基區(qū)厚度可以大大減小，電子的基區(qū)渡越時間一也可以減小，提高器件的截止頻率fT。一般情況下Si BJT的直流電流增益可表示為：BJT=ICIB=NEWEDnPBWBDP而SiGe HBT的直流電流增益可以表示為：HBTBJTeEgKT 可見，隨著基區(qū)Ge組分的增加Si發(fā)射區(qū)

10、與Si發(fā)射區(qū)與SiGe基區(qū)的能帶差Eg增大，因此SiGe HBT的電流增益也隨之增加，對于同樣結構的器件SiGe HBT與Si BJT的電流密度之比可表示為：HBTBJTeEgKT 可見HBT/BJT遠大于1,并SiGe HBT的電流增益隨著Si發(fā)射區(qū)與SiGe基區(qū)的能帶之差的增大而按其相應指數增加。 截止頻率fT是指晶體管在共發(fā)射極狀態(tài)下應用電流增益為1時的工作頻率，是晶體管具有電流放大能力的最高工作頻率，在數值上它是指載流了從發(fā)射區(qū)運動到集電區(qū)總延遲時間tec的倒數。最高振蕩頻率fmax與截止頻率fT成正比，與基區(qū)擴展電阻rbb集電結電容Cjc成反比，由于均勻基區(qū)SiGe HBT的基區(qū)電阻

11、小于Si BJT的基區(qū)電阻，截止頻率fT高于Si BJT的截止頻率，所以SiGe HBT的最高振蕩頻率高于Si BJT的最高振蕩頻率。 綜上所述，當將Ge引入Si BJT的基區(qū)時，由于SiGe基區(qū)的帶隙變窄，可以提高電流增益，截止頻率fT和最高振蕩頻率fmax即晶體管的直流特性和交流特性都得到極大的提高。SiGe異質結雙極晶體管的特性1 直流特性SiGe HBT的直流特性主要由直流增益和扼制電壓VA決定。和VA都與SiGe基區(qū)中Ge的含量有關。Ge的含量分布有三種:均勻、三角和梯形。與VA的乘積越大，輸出電流對偏壓的流動越遲鈍，輸出越穩(wěn)定。、VA和VA都與Si中引入Ge形成SiGe合金的帶隙與

12、Si帶隙之差Eg*Ge有關，他們隨Eg*Ge的增大而顯著的提高，這表明SiGe HBT 與Si BJT相比，直流特性明顯改善。2交流特性 SiGe HBT的交流特性主要由交流截止頻率fT和最大震蕩頻率fmax表征，fT是電流增益為1時的頻率，是功率增益為1時的頻率。fT由SiGe基區(qū)渡越時間B和發(fā)射區(qū)渡越時間E決定。B和E都因Ge的摻入而減小，所以fT有很大的的提高。fmax反比與基區(qū)電阻Rb，由于Ge的存在，降低了基區(qū)電阻。當基區(qū)摻雜濃度很高時，Ge的含量越高，基區(qū)電阻越小，電阻的減小是由于空穴遷移率提高的結果。3噪聲特性SiGe的噪聲系數NF與Rb、B、有關，當Rb越小、B越小、越大，N就

13、越小。SiGe HBT中由于Ge的引入，降低了Rb和B，提高了，從而降低了NF。 異質結雙極晶體管臺面制作工藝 對于SiGe HBT，根據器件的幾何形狀，可分為臺面結構和平面結構。1HBT臺面結構臺面結構因其工藝簡單，工藝容易控制，常采用臺面工藝來驗證SiGe材料的性能。 SiGe臺面結構工藝就是在SiGe HBT的制作中，選擇腐蝕掉Si層，形成發(fā)射極臺面，一次來實現SiGe HBT 的制作。但臺面結構也存在其固有的缺點，如發(fā)射極電容過大，阻礙了截止頻率fT的提高；與平面化的器件集成往往很困難。圖3給出了典型的臺面結構示意圖：圖3 異質結雙極晶體管臺面結構示意圖目前常采用的SiGe臺面結構的基

14、本工藝為： 在N+襯底熵或者具有N+掩埋層的P型襯底上外延一層N-做為集電區(qū)，然后外延的P+SiGe層作為基區(qū)，再外延N型發(fā)射區(qū)，如果不采用多晶硅注入發(fā)射極，在外延N型發(fā)射區(qū)后還要再外延一層重摻雜的Si層作為發(fā)射區(qū)歐姆接觸的帽層。 淀積一層SiO2，進行發(fā)射區(qū)臺面的光刻，以SiO2作為掩蔽膜采用SiGe濕法 自終止腐蝕腐蝕出發(fā)射區(qū)臺面。 光刻出集電極臺面。 形成二氧化硅側墻隔離。 光刻出基級和發(fā)射極接觸孔，然后金屬化，電鍍，金屬光刻。 鈍化層淀積，刻引線孔。2HBT平面結構 臺面結構由于選擇性腐蝕出發(fā)射極臺面，這就帶來了一個很嚴重的工藝問題，即發(fā)射極條寬不能過窄，因為如果發(fā)射極條寬過窄，在形成

15、SiO2側墻后，金屬化前的的接觸孔光刻就要求設備具有較高的光刻精度，如果光刻精度不夠，發(fā)射區(qū)接觸孔過大，就會導致金屬化后發(fā)射極與基級串通，所以這就限制了臺面結構的發(fā)射極條寬的進一步減小，嚴重影響器件性能的提高。而器件采用平面結構就可以解決這個問題。 平面結構的SiGe HBT 用過發(fā)射區(qū)與外基區(qū)的選擇性注入，可以有效的減小基區(qū)電阻R，從而提高器件的頻率特性及減少器件噪聲。圖4給出了典型的異質結雙極晶體管平面結構圖：圖4 異質結雙極晶體管平面結構圖相比于臺面結構，平面結構SiGe HBT 在外延過程中發(fā)射區(qū)常外延本征Si，然后采用多晶硅注入的方法實現發(fā)射極及基級，這就避免了臺面工藝中由于光刻精度

16、偏差而使發(fā)射極、基級連通的問題，可有效實現窄的發(fā)射極，從而減小 了器件在大電流下的發(fā)射極電流集邊效應，同時較小的發(fā)射極條寬也可以有效提高發(fā)射極注入效率，從而減小結電容Cbc，提高器件頻率特性，特別是平面工藝更有利于集成，所以現在對SiGe HBT 的研究更多的是采用平面結構。SiGe HBT 的優(yōu)點 硅器件在微電子技術發(fā)展中至今保持著統治地位，其集成度越來越高，在微波、高速領域具有優(yōu)越的性能，但是受其自身的限制，要進一步提高硅器件的工作頻率仍然比較困難，GaAs器件的電子遷移率高，具有良好的射頻和功率特性，適用于高速和微波器件的應用，但是其制備工藝比硅復雜，成本很高，并且與硅工藝不兼容，不能繼

17、承CMOS電路。SiGe HBT器件具備了兩者的優(yōu)點，近年來SiGe HBT得到了迅速的發(fā)展，基于SiGe HBT的功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）、混頻器等在無線通訊中獲得了廣泛的應用，原來一直被GaAs等III-V族材料占據的高頻大功率器件市場就有可能被低成本的SiGe器件所取代。SiGe HBT的市場及其應用近年來，由于SiGe/Si外延技術的突破，使得SiGe HBT迅猛的發(fā)展，SiGe與COMS工藝相結合形成的SiGe BICMOS技術應用于微波和射頻通訊領域中，可使RF和基帶電路集成在同一芯片上，由于硅晶體管一般工作在1GHz2GHz頻段中，而許多射頻應用卻要求高達幾十G

18、Hz的工作頻率，這已經完全超出了硅器件能力所及的范圍。對于SiGe器件，大都在上GHz的范圍，而成本僅比Si技術高10%左右，因此在需要重點考慮高頻特性的情況下應被優(yōu)先采用；而在較高的頻段（>20GHz）以上，雖然其性能不如GaAs，但是由于其低成本和高集成度，仍然具有極大的發(fā)展空間，例如：SiGe低噪聲放大器（LNA）、功率放大器（PA）、壓控振蕩器（VCO）、混頻器、頻率合成器、和A/D、D/A轉換器等。在SiGe的應用市場中。SiGe器件和電路主要生產商有IBM公司、SiGe半導體公司、Sanford Mcrodevices公司、JaZZ半導體公司等。參考文獻1 劉恩科.半導體物理學(第七版).電子工業(yè)出