微波雙極晶體管

1、鍵入文字中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)鍵入文字中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管半導(dǎo)體器件原理調(diào)研小論文李南云SA161730272016年12月3日星期六摘要隨著微波半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，相對(duì)的對(duì)器件的性能提出的要求也越來(lái)越高，在這種情況下，異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）被提出來(lái)，這種晶體管最初稱為“寬發(fā)射區(qū)”晶體管。其主要特點(diǎn)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(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(guān)鍵詞：異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、HBT、GaAs、SiGe、半導(dǎo)體引言 隨著現(xiàn)代移動(dòng)通信以及微波通信的發(fā)展，人們對(duì)半導(dǎo)體器件的高頻以及低噪聲等性能要求日益提高。傳統(tǒng)的Si材料器件己經(jīng)無(wú)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(tǒng)的Si工藝兼容，大大降低了制造成本，所以SiGe HBT在未來(lái)的移動(dòng)通

3、信等領(lǐng)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。個(gè)固態(tài)電子設(shè)備的體積、重量、性能、價(jià)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(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。實(shí)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(shí)現(xiàn)是在Ga Al As/GaAs外延生長(zhǎng)技術(shù)成熟之后，70年代中期，在解決了砷化鎵的外延生長(zhǎng)問題之后，這種晶體管才得到較快的發(fā)展。異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)1 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管異質(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)雙極晶體管類型很多，主要有SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，GaA1As/GaAs異質(zhì)結(jié)

4、晶體管和NPN型InGaAsP/InP異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，NPN型A1GaN/GaN異質(zhì)結(jié)雙極晶體管等。異質(zhì)結(jié)雙極晶體管與傳統(tǒng)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(gè)材料是一樣的，因而稱為異質(zhì)結(jié)器件。異質(zhì)結(jié)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(shè)計(jì)的靈活性。 2異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的結(jié)構(gòu)圖圖1 HBT基本結(jié)構(gòu)圖3異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的特點(diǎn) ：基區(qū)可以高摻雜(可高達(dá)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?yàn)榛鶇^(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(dǎo)調(diào)制不明顯，

5、則大電流密度時(shí)的增益下降不大；：基區(qū)電荷對(duì)C結(jié)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(jié)勢(shì)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(nèi)建電場(chǎng)，從而載流子渡越基區(qū)的時(shí)間得以減短。4結(jié)構(gòu)分析 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的基本結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(shì)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(shè)計(jì)的靈活性。 典型的NPN臺(tái)面型GaAIAs/GaAs異質(zhì)結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)不雜質(zhì)剖面能大幅度地減小發(fā)射結(jié)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(lái)減小接觸電阻。這種晶體管的主要電參數(shù)水平已達(dá)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(diǎn)是開關(guān)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(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)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(yīng)用。異質(zhì)結(jié)晶體管適于作微波晶體管、高速開關(guān)管和光電晶體管。已試制出相應(yīng)的高速數(shù)字電路（I2L）和單片光電集成電路。SiGe異質(zhì)結(jié)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(jié)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(diǎn)可以通過下圖的器件能帶圖加以說明，其中假設(shè)SiGe基區(qū)中的Ge組分和雜質(zhì)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(shì)壘qVn與基區(qū)空穴注入到發(fā)射區(qū)需要越過的勢(shì)壘qVp相等，因此要提高發(fā)射結(jié)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(dǎo)致非本征基區(qū)串聯(lián)電阻增加，晶體管的噪音系數(shù)增加，最高振蕩頻率fmax降低。而要降低噪音系數(shù)，必須相應(yīng)增加基區(qū)的厚度，這又要導(dǎo)致多數(shù)載流了電了在基區(qū)的渡越時(shí)間增加，器件的頻率特性下降。圖2 SiGe HBT（實(shí)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(zhì)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(jié)處兩者必然要產(chǎn)生一個(gè)能帶差，而在SiGe HBT中因?yàn)閼?yīng)變的SiGe合金層是生長(zhǎng)在Si襯底上的，因此兩者之間的能

9、帶差主要表現(xiàn)為價(jià)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(shì)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(shì)壘qVp，這同時(shí)也一導(dǎo)致發(fā)射結(jié)的注入效率大大提高，因此此時(shí)要獲得與同質(zhì)結(jié)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(lián)電阻提高器件的最高振蕩頻率，同時(shí)基區(qū)厚度可以大大減小，電子的基區(qū)渡越時(shí)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(duì)于同樣結(jié)構(gòu)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(yuǎn)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(yīng)指數(shù)增加。 截止頻率fT是指晶體管在共發(fā)射極狀態(tài)下應(yīng)用電流增益為1時(shí)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(shù)值上它是指載流了從發(fā)射區(qū)運(yùn)動(dòng)到集電區(qū)總延遲時(shí)間tec的倒數(shù)。最高振蕩頻率fmax與截止頻率fT成正比，與基區(qū)擴(kuò)展電阻rbb集電結(jié)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(dāng)將Ge引入Si BJT的基區(qū)時(shí)，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(zhì)結(jié)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(guān)。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(duì)偏壓的流動(dòng)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(guān)，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(shí)的頻率，是功率增益為1時(shí)的頻率。fT由SiGe基區(qū)渡越時(shí)間B和發(fā)射區(qū)渡越時(shí)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(dāng)基區(qū)摻雜濃度很高時(shí)，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(jié)果。3噪聲特性SiGe的噪聲系數(shù)NF與Rb、B、有關(guān)，當(dāng)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(zhì)結(jié)雙極晶體管臺(tái)面制作工藝 對(duì)于SiGe HBT，根據(jù)器件的幾何形狀，可分為臺(tái)面結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)。1HBT臺(tái)面結(jié)構(gòu)臺(tái)面結(jié)構(gòu)因其工藝簡(jiǎn)單，工藝容易控制，常采用臺(tái)面工藝來(lái)驗(yàn)證SiGe材料的性能。 SiGe臺(tái)面結(jié)構(gòu)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(tái)面，一次來(lái)實(shí)現(xiàn)SiGe HBT 的制作。但臺(tái)面結(jié)構(gòu)也存在其固有的缺點(diǎn)，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(tái)面結(jié)構(gòu)示意圖：圖3 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管臺(tái)面結(jié)構(gòu)示意圖目前常采用的SiGe臺(tái)面結(jié)構(gòu)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?fù)诫s的Si層作為發(fā)射區(qū)歐姆接觸的帽層。 淀積一層SiO2，進(jìn)行發(fā)射區(qū)臺(tái)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(tái)面。 光刻出集電極臺(tái)面。 形成二氧化硅側(cè)墻隔離。 光刻出基級(jí)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(jié)構(gòu) 臺(tái)面結(jié)構(gòu)由于選擇性腐蝕出發(fā)射極臺(tái)面，這就帶來(lái)了一個(gè)很嚴(yán)重的工藝問題，即發(fā)射極條寬不能過窄，因?yàn)槿绻l(fā)射極條寬過窄，在形成

15、SiO2側(cè)墻后，金屬化前的的接觸孔光刻就要求設(shè)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(huì)導(dǎo)致金屬化后發(fā)射極與基級(jí)串通，所以這就限制了臺(tái)面結(jié)構(gòu)的發(fā)射極條寬的進(jìn)一步減小，嚴(yán)重影響器件性能的提高。而器件采用平面結(jié)構(gòu)就可以解決這個(gè)問題。 平面結(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)雙極晶體管平面結(jié)構(gòu)圖：圖4 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管平面結(jié)構(gòu)圖相比于臺(tái)面結(jié)構(gòu)，平面結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)發(fā)射極及基級(jí)，這就避免了臺(tái)面工藝中由于光刻精度

16、偏差而使發(fā)射極、基級(jí)連通的問題，可有效實(shí)現(xiàn)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(yīng)，同時(shí)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(jié)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(xiàn)在對(duì)SiGe HBT 的研究更多的是采用平面結(jié)構(gòu)。SiGe HBT 的優(yōu)點(diǎn) 硅器件在微電子技術(shù)發(fā)展中至今保持著統(tǒng)治地位，其集成度越來(lái)越高，在微波、高速領(lǐng)域具有優(yōu)越的性能，但是受其自身的限制，要進(jìn)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(yīng)用，但是其制備工藝比硅復(fù)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(diǎn)，近年來(lái)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(wú)線通訊中獲得了廣泛的應(yīng)用，原來(lái)一直被GaAs等III-V族材料占據(jù)的高頻大功率器件市場(chǎng)就有可能被低成本的SiGe器件所取代。SiGe HBT的市場(chǎng)及其應(yīng)用近年來(lái)，由于SiGe/Si外延技術(shù)的突破，使得SiGe HBT迅猛的發(fā)展，SiGe與COMS工藝相結(jié)合形成的SiGe BICMOS技術(shù)應(yīng)用于微波和射頻通訊領(lǐng)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(yīng)用卻要求高達(dá)幾十G

18、Hz的工作頻率，這已經(jīng)完全超出了硅器件能力所及的范圍。對(duì)于SiGe器件，大都在上GHz的范圍，而成本僅比Si技術(shù)高10%左右，因此在需要重點(diǎn)考慮高頻特性的情況下應(yīng)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(zhuǎn)換器等。在SiGe的應(yīng)用市場(chǎng)中。SiGe器件和電路主要生產(chǎn)商有IBM公司、SiGe半導(dǎo)體公司、Sanford Mcrodevices公司、JaZZ半導(dǎo)體公司等。參考文獻(xiàn)1 劉恩科.半導(dǎo)體物理學(xué)(第七版).電子工業(yè)出