異質(zhì)結(jié)原理課件

DepartmentofMicroelectronicsFudanXieHaifen異質(zhì)結(jié)原理及其在高速雙極器件中的應(yīng)用1DepartmentofMicroelectronics異質(zhì)結(jié)原理與其在高速雙極器件中的應(yīng)用

介紹異質(zhì)結(jié)的原理異質(zhì)結(jié)及雙極晶體管的特性分析異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)HBT的應(yīng)用展望2異質(zhì)結(jié)原理與其在高速雙極器件中的應(yīng)用

介紹2介紹1951年,Schokley提出了寬禁帶材料作晶體管發(fā)射結(jié)的原理.1957年,H.Kroemer：若發(fā)射區(qū)材料的禁帶寬度大于基區(qū)的禁帶寬度,可獲得很高的注入比1972年,Dumke利用液相外延方法制成了AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管.1978年Bell實(shí)驗(yàn)室利用MBE獲得了調(diào)制摻雜AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)1980年用MBE方法制成AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管.3介紹1951年,Schokley提出了寬禁帶材料作晶體管發(fā)射HBT應(yīng)用于微波振蕩器、低噪聲放大器、功率放大器、信號(hào)混合器、分頻器、MMIC、T/R組件、全球定位系統(tǒng)GPS)以及微波、毫米波的軍用通信等領(lǐng)域。

介紹4HBT應(yīng)用于微波振蕩器、低噪聲放大器、功率放大器、信號(hào)混合器介紹(0.9-2GHz)(10-25GHz)(3-40GHz)(2.4-5.2GHz)5介紹(0.9-2GHz)(10-25GHz)(3-40異質(zhì)結(jié)的原理

摻雜工程--能帶工程分開時(shí)能帶N(Ge)P(AsGa)6異質(zhì)結(jié)的原理

摻雜工程--能帶工程分開時(shí)能帶N形成異質(zhì)結(jié)后的能帶N

p7形成異質(zhì)結(jié)后的能帶N同質(zhì)雙極型與異質(zhì)雙極型的比較

能帶圖比較8同質(zhì)雙極型與異質(zhì)雙極型的比較能帶圖比較8Si同質(zhì)結(jié)雙極晶體管

AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管摻雜分布比較

9Si同質(zhì)結(jié)雙極晶體管AlGa異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的特性分析載流子運(yùn)輸模型擴(kuò)散模型，熱電子發(fā)射模型，隧道模型異質(zhì)結(jié)考慮：異質(zhì)結(jié)能帶斷續(xù)，能帶漸變及各種復(fù)合10異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的特性分析載流子運(yùn)輸模型10異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的特性分析漸變異質(zhì)結(jié)及Ｉ-Ｖ特性Anderson擴(kuò)散理論

11異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的特性分析漸變異質(zhì)結(jié)及Ｉ-Ｖ特性Anders,則結(jié)論：同質(zhì)結(jié)中注入比主要取決于ｎ區(qū)和ｐ區(qū)的摻雜濃度比注入比同質(zhì)結(jié)12,則結(jié)論：同質(zhì)結(jié)中注入比主要取決于ｎ區(qū)和ｐ區(qū)的摻雜濃度比異質(zhì)結(jié)中注入比異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的注入比與發(fā)射區(qū)和基區(qū)的禁帶寬度差ΔＥｇ呈指數(shù)關(guān)系

結(jié)論：異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的注入比與發(fā)射區(qū)和基區(qū)的禁帶寬度差呈指數(shù)關(guān)系13異質(zhì)結(jié)中注入比異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的注入比與發(fā)射區(qū)和基區(qū)的禁帶寬異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的特性分析突變異質(zhì)結(jié)及Ｉ-Ｖ特性擴(kuò)散模型：能量大于的電子以擴(kuò)散方式向窄帶區(qū)運(yùn)動(dòng).熱電子發(fā)射模型：電子以熱電子發(fā)射，發(fā)射速度運(yùn)動(dòng),cm/s向前運(yùn)動(dòng)，這樣大大縮短在基區(qū)的渡越時(shí)間.隧道模型：電子沒(méi)有到達(dá)越過(guò)尖峰的能量時(shí)，以隧道方式穿過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入基區(qū)。14異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的特性分析突變異質(zhì)結(jié)及Ｉ-Ｖ特性擴(kuò)散模型：能突變異質(zhì)結(jié)及Ｉ-Ｖ特性

擴(kuò)散模型加正向偏壓后的理想突變異質(zhì)結(jié)能帶圖若正向偏置時(shí)結(jié)論：總電流與外加偏壓呈指數(shù)變化關(guān)系

15突變異質(zhì)結(jié)及Ｉ-Ｖ特性

擴(kuò)散模型加正向偏壓后的理想突變異質(zhì)結(jié)突變異質(zhì)結(jié)及Ｉ-Ｖ特性

熱電子模型

擴(kuò)散模型16突變異質(zhì)結(jié)及Ｉ-Ｖ特性

熱電子模型

擴(kuò)17171818共發(fā)射極電流增益異質(zhì)結(jié)的注入比提高19共發(fā)射極電流增益異質(zhì)結(jié)的注入比提高19異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要求不同材料晶格常數(shù)應(yīng)盡量接近（減少在界面處產(chǎn)生的位錯(cuò)、缺陷導(dǎo)致的載流子復(fù)合要獲得高增益,發(fā)射區(qū)與基區(qū)的材料組合要有大的ΔEv.異質(zhì)結(jié)材料的熱膨脹系數(shù)的一致性材料的禁帶寬度之差，導(dǎo)帶和價(jià)帶的斷續(xù)量，材料遷移率。20異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求20發(fā)射區(qū)-基區(qū)異質(zhì)結(jié)的

設(shè)計(jì)考慮

HBT頻率特性的提高,依賴于減少發(fā)射結(jié)面積,減少發(fā)射區(qū)的摻雜濃度.發(fā)射區(qū)摻雜濃度的減小雖然使發(fā)射結(jié)電容降低了,但是增加了發(fā)射區(qū)電阻,因此,要與發(fā)射區(qū)的厚度等結(jié)合起來(lái)考慮。發(fā)射結(jié)大的HBT,要設(shè)法實(shí)現(xiàn)理想的組分漸變,保證HBT的電流增益.對(duì)于突變結(jié)HBT,選擇大的的發(fā)射結(jié)材料組合21發(fā)射區(qū)-基區(qū)異質(zhì)結(jié)的

設(shè)計(jì)考慮HBT頻率特性的提高,依賴基區(qū)設(shè)計(jì)

與基區(qū)的渡越時(shí)間有關(guān)1.選擇遷移率高的材料作基區(qū)2.減少基區(qū)寬度,從而減少渡越基區(qū)時(shí)間結(jié)論:22基區(qū)設(shè)計(jì)與基區(qū)的渡越時(shí)間有關(guān)1.選擇遷移率高的HBT應(yīng)用于開關(guān)電路

RB為基區(qū)電阻,降低RB可以縮短開關(guān)時(shí)間基區(qū)還可以采用帶隙漸變基區(qū)結(jié)構(gòu).調(diào)整二元系或多元系基區(qū)組分,使禁帶寬度發(fā)生變化,產(chǎn)生的附加電場(chǎng)減小了少子在基區(qū)的渡越時(shí)間.23HBT應(yīng)用于開關(guān)電路RB為基區(qū)電阻,降低RB可以縮短開關(guān)集電區(qū)的設(shè)計(jì)

τＣ=ＷC/2Vs+Ｃc(ＲＥ+ＲＣ)

減小集電結(jié)電容:減少基區(qū)歐姆接觸區(qū)面積和縮短發(fā)射區(qū)到基極接觸的間距.自對(duì)準(zhǔn)工藝形成基區(qū)的歐姆接觸區(qū).為保證一定的擊穿電壓和減?。茫?收集區(qū)采用較低摻雜濃度.24集電區(qū)的設(shè)計(jì)τＣ=ＷC/2Vs+Ｃc(ＲＥ+ＲＣ)減小發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)摻雜濃度的選擇

發(fā)射區(qū)摻雜濃度為1017cm-3

基區(qū)摻雜濃度在1018—1019ｃｍ-3

收集區(qū)的濃度為1016ｃｍ-3ＥＣ的歐姆接觸區(qū)濃度要大于1018ｃｍ-3

25發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)摻雜濃度的選擇發(fā)射區(qū)摻雜濃度為1017HBT應(yīng)用展望GaAsHBT存在的主要問(wèn)題：目前單品直徑還不能做得很大，機(jī)械強(qiáng)度不好，容易碎片；熱導(dǎo)率低，只有硅材料的三分之一。工藝上與Si工藝不相容，電路的成本高SiGeHBT的應(yīng)用展望：高頻、高速、光電、低溫等器件及集成電路

26HBT應(yīng)用展望GaAsHBT存在的主要問(wèn)題：目前單品直徑還不SiGeHBT的發(fā)展1986年，用UHV/CVD技術(shù)，SiGe器件1987年,第一個(gè)器件性能的SiGeHBT1988年，用MBE方法生長(zhǎng)SiGeHBT1989年，UHV/CVD技術(shù)SiGeHBT，基區(qū)Ge組分漸變，多晶發(fā)射極的SiGeHBT1990年fT=75GHz,SiGeHBT1992,SiGeHBTCMOS工藝1994商用化產(chǎn)品1998德國(guó)TEMIC工業(yè)化的SiGeHBT工藝。IBM(BlueLogicBiCMOS5HP工藝（SiGeHBT和3.3V0.5umCMOS結(jié)合。27SiGeHBT的發(fā)展1986年，用UHV/CVD技術(shù)，SiWhyusingSiGeCi.s.o.SiGe?CarboncansuppressboronTEDtoreduceboronout-diffudionintopoly-emitterandcollectorbelow.TheBoomingofWirelessandBroadbandWorldfromY2K28WhyusingSiGeCi.s.o.SiGe?Th0.43μm0.26μmEmitterelectrodeSiGeintrinsicBaseBaseelectrode290.43μm0.26μmEmitterelectrodeSSiGeHBT特點(diǎn)SiGe有具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)在工藝上與Si器件相容具有Si器件的“低成本”,具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的“高性能”。很多人認(rèn)為SiGe不僅可以在高頻領(lǐng)域戰(zhàn)勝Si,而且可以在低成本方面戰(zhàn)勝GaAs30SiGeHBT特點(diǎn)SiGe有具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)30SiGe/Si異質(zhì)結(jié)特點(diǎn)Si/SiGe異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)特性可以大大提高晶格匹配，載流子的遷移率、載流子的飽和速度以及二維載流子氣濃度,所以SiGe用于SiGeHBT的應(yīng)用展望：高頻、高速、光電、低溫等器件及集成電路大大提高它們的性能。31SiGe/Si異質(zhì)結(jié)特點(diǎn)Si/SiGe異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)特性可以SiGe/Si異質(zhì)結(jié)器件應(yīng)用運(yùn)于PMOS器件用于MODFET或HEMT用于光電子器件制作雙穩(wěn)態(tài)SiGe/Si隧道二極管制作電荷注入晶體管制作諧振腔有機(jī)場(chǎng)致發(fā)光器件制作光晶閘管32SiGe/Si異質(zhì)結(jié)器件應(yīng)用運(yùn)于PMOS器件32總結(jié)：SiGeHBT器件SiGeHBT中,基區(qū)材料的帶隙小于發(fā)射區(qū)，發(fā)射區(qū)不必重?fù)诫s,基區(qū)則可以重?fù)诫s?；鶇^(qū)電阻小、噪聲低、注入效率高,可降低發(fā)射結(jié)的隧道效應(yīng)、穿通效應(yīng)和電容?；鶇^(qū)可以做得很薄,能縮短渡越時(shí)間,提高頻率響應(yīng)。同常規(guī)的SiBJT器件相比,SiGeHBT具有傳輸時(shí)間短、截止頻率高、電流增益大以及低溫特性好等優(yōu)點(diǎn)。

33總結(jié)：SiGeHBT器件SiGeHBT中,基區(qū)材料的帶小結(jié)34小結(jié)34展望SiGeHBT低功耗和更高的開關(guān)速度；在LF＆RF頻段很低的噪聲系數(shù)；許多設(shè)計(jì)原來(lái)僅用GaAs技術(shù)實(shí)現(xiàn)．利用SiGe與Si工藝兼容的特點(diǎn)可能導(dǎo)致全新的設(shè)計(jì)；SiGe集成技術(shù)維系了Si工藝巨大的經(jīng)濟(jì)性。35展望SiGeHBT35IBM高‘性能120GHzSiGeHBT(0.