（凝聚态物理专业论文）微波功率sige+hbt与基于虚衬底的sige+hpt的研制.pdf

摘要 随着无线通信和光纤通信技术的发展与融合，对组成通信系统的光电子器件 性能和成本的要求日益提高。传统的s i 材料器件以其成熟的工艺技术具有高集 成和低成本优势，但是由于受到s i 材料自身特性和器件结构的限制，无法满足 高速的要求。s i g e 异质结晶体管( h b t ) 禾u 用了能带工程和成熟的s i 微电子工艺， 频率特性得到了质的飞跃，在无线通信领域得到了广泛应用；与此同时，引入具 有内部增益的s i g e 异质结光晶体管( h p t ) ，发挥与s i g eh b t 结构工艺完全兼容 的优势，拓展了s i 基材料和器件在光纤通信领域的应用。但是，s i g eh p t 由于 吸收区g e 组分和厚度受到s i 衬底的限制，在光纤通信波段无法获得较高的响应 度。本文以提高s i g eh b t 的功率和频率特性、s i g eh p t 的响应度和响应波长 为目的，在s i g eh b t 和h p t 理论设计、材料制备和器件研制三方面开展了研 究工作。取得了以下主要成果： ( 1 ) 参与完成了新型国产双生长室u h v c v d 系统的安装与调试，并通过大 量的生长实验优化了s i g e 材料的生长条件，总结出g e 组分、生长速率和掺杂 浓度随源流量、温度等条件的生长动力学规律，为s i g eh b t 和h p t 的制备奠 定了材料基础。 ( 2 ) 设计并制备了工作在l 波段( 1 2 g h z ) 的微波功率s i g eh b t 。定量研究 了g e 组分对s i g eh b t 性能的影响，发现当基区g e 组分从o 2 0 增加到0 2 3 时， 导致s i g eh b t 电流增益从6 0 提高到1 5 8 。当基极为电压和电流输入时，观察到 s i g eh b t 分别呈现正、负两种相反的热电反馈现象，并采用电压源与电阻串联 的输入方式，实现了s i g eh b t 自加热特性的自补偿，解决了功率s i g eh b t 自 加热问题。 ( 3 ) 采用氧化法制备了高质量s i 基和s o i 基s i g e 弛豫衬底，并建立了s i g e 氧化动力学模型。在模型中首次引入了氧化物中应力的作用，发现并证实了s i g e 氧化速率增强是由于氧气在氧化物中的扩散激活能较低所导致，修正了以往人们 认为由于g e g e 键能比s i s i 键能更弱的观点，并合理解释了一直颇具争议的 s i g e 氧化自停止现象。 ( 4 ) 系统地研究了s i g e 弛豫衬底二次外延中表面热处理方法。发现了高温 脱氧时s i g e 薄膜表面形成g e 岛，通过改变s i g e 薄膜中的g e 组分可实现g e 岛大小和密度的调控，为制备g e 量子点提供了新的方法；而采用高温脱氢时， 发现s i g e 表面形成坑，通过优化脱氢温度在5 5 0 获得良好的表面形貌，并应 用于高质量s i g e 材料的二次外延，解决了s i g e 弛豫衬底二次外延中表面处理这 一难题。 ( 5 ) 创新性地提出了基于s i g e 虚衬底的s i g eh p t ，对器件特性进行了系统 的模拟分析，并在氧化法和低温g e 缓冲层法制备的s i g e 弛豫衬底上完成了这 种新型器件的制备。s i g eh p t 的击穿电压b v c e o 达到1 4 v ，暗电流密度在5 v 偏压时为4 m a c m 2 。在1 5 5 9 r n 波长处s i g eh p t 的响应度为1 9 4 m a w ，实现了 以量子阱作为吸收区的s i g eh p t 在1 5 5 9 m 波长的响应，比目前报道的s i g eh p t 在相同的入射方式下获得的最高响应度提高了2 0 倍。 关键词：硅锗；异质结晶体管；异质结光晶体管；硅锗氧化；硅锗虚衬底；表面 热处理；超高真空化学气相沉积系统 a b s t r a c t t h ec o m m u n i c a t i o nm a r k e th a se x p e r i e n c e das u b s t a n t i a la n dr a p i dg r o w t ho v e r t h ep a s tf e wy e a r s ，w h i c hw i l lr e q u i r eh i g h e rs p e e da n dl o wc o s ts e m i c o n d u c t o r d e v i c e si nt h ef u t u r ec o m m u n i c a t i o nu n i t s o n eo ft h es o l u t i o n st om e e tt h e s e r e q u i r e m e n t si st h ec o n c e p to fac o m p l e t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi n t e g r a t i n ge l e c t r o n d e v i c e sa n do p t o e l e c t r o n i cd e v i c e so nas i n g l ec h i p t h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to f l l i g h s p e e ds i g eh e t e r o j u n c t i o nb i p o l a rt r a n s i s t o r ( h b t ) h a sp r o v i d e dt h eo p p o r t u n i t y t oi n t e g r a t er f m i c r o w a v ec i r c u i t sa n dc m o sl o w p o w e rc i r c u i to n as i n g l ec h i pi n t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nu n i t s a tt h es a m et i m e ，s i g eh e t e r o j u n c t i o nb i p o l a r p h o t o t r a n s i s t o r ( h p t ) w i t hh i g he x t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c y , l o w n o i s ea n d c o m p a t i b i l i t yo ft h ed e v i c e se p i t a x i a ls t r u c t u r ea n df a b r i c a t i o nw i t ht h a to ft h eh b t b e c o m e sm o r ea t t r a c t i v ef o rh i g h s p e e do p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i ta p p l i c a t i o n s h o w e v e r , i ti s ag r e a tc h a l l e n g et oo b t a i nh i g h e rr e s p o n s i v i t yi nn e a r - i n f r a r e d c o m m u n i c a t i o nb a n df o rt h et r a d i t i o n a ls i g eh p td u et ot h el o w e rg ec o n t e n ta n dt h e l i m i t a t i o no ft h ec r i t i c a lt h i c k n e s so fs i g el a y e ro ns is u b s t r a t e s i nt h i st h e s i s ，i n o r d e rt oi m p r o v et h er e s p o n s i v i t ya n de x t e n dt h ed e t e c t i o nw a v e l e n g t ho fs i g eh p t a sw e l la st h ep o w e ra n df r e q u e n c yo fs i g eh b t , c o m p r e h e n s i v et h e o r e t i c a ld e s i g n s a n ds y s t e m i ce x p e r i m e n t so ns i g eh b ta n dh p th a v eb e e nc a r r i e do u t t h em a i n w o r k sa n dr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) ah o m e m a d ed o u b l e - c h a m b e rc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o ns y s t e mw a sb u i l t a n dt e s t e d b a s e do nt h eg r o w t hk i n e t i c so fs i g ea l l o y , t h eg r o w t hc o n d i t i o n s i n c l u d i n gs o u r c eg a sf l u xa n ds u b s t r a t et e m p e r a t u r ew e r eo p t i m i z e df o rr e a c h i n g c e r t a i ng ec o n t e n t s ，g r o w t hr a t e sa n dd o p i n gc o n c e n t r a t i o n so fs i g el a y e r , w h i c h p a v et h ew a y f o rt h ef o l l o w i n gs t u d yo fs i g eh b ta n dh p t ( 2 ) am i c r o w a v ep o w e rs i g eh b tw i t hc u t - o f ff r e q u e n c yo f2 g h zh a v eb e e n d e s i g n e da n df a b r i c a t e d w ef o u n dt h a ta l i t t l ei n c r e a s eo fg ec o n t e n ti ns i g eb a s e r e g i o ns u c ha sf r o m0 2 0t o0 2 3c o u l dl e a dt os i g n i f i c a n ti n c r e a s ei nc u r r e n tg a i n f r o m6 0t o15 8 i tw a so b s e r v e dt h a tt h es i g eh b t sp r e s e n tp o s i t i v ea n dn e g a t i v e t h e r m a l - e l e c t r i cf e e db a c kw h e nt h eb a s ew a sb i a s e dw i t hv o l t a g ea n dc u r r e n ts o u r c e r e s p e c t i v e l y t h o s eo p p o s i t et r e n d so ft h e r m a l e l e c t r i cf e e db a c kw e r es u c c e s s f u l l y u t i l i z e dt oc o m p e n s a t et h e s e l f - h e a t i n ge f f e c to fs i g eh b tb yi n s e r t i n gac e r t a i n b a l l a s tr e s i s t a n c ei nt h eb i a sc i r c u i t ( 3 ) h i g hq u a l i t ys i g er e l a x e ds u b s t r a t eb a s e do ns ia n ds o ls u b s t r a t ew e r e p r e p a r e db yd r yo x i d a t i o n w i t l ll o t so fo x i d a t i o nd a t a as i g eo x i d a t i o nk i n e t i cm o d e l i n c l u d i n gt h es t r e s si nt h eo x i d ew a sp r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m e w ef o u n dt h a tt h e g r o w t hr a t ee n h a n c e m e n ti ns i g eo x i d a t i o np r o c e s sw a si n d u c e db yt h el o w e r a c t i v a t i o ne n e r g yo fo x y g e nd i f f u s i v i t yr a t h e rt h a nt h ew e a k e rg e g eb o n de n e r g y r e p o r t e db yo t h e rg r o u p m o r ei m p o r t a n t ，t h es e l f - l i m i t i n go x i d a t i o no fs i g ea l l o y , w h i c hw a ss t i l lu n d e rd e b a t e ，c a nb eb e t t e ru n d e r s t o o di nt h i sm o d e l ( 4 ) t h e r m a lc l e a n i n g o fs i g es u r f a c eu n d e ru l t r a - h i g hv a c u u mh a sb e e n s y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d w ef o u n dt h a tg ei s l a n d sp r e f e r e n t i a l l yf o r m e di nt h e p r o c e s so fd e c o m p o s i t i o no fn a t i v eo x i d ec o v e r i n gt h es i g el a y e r t h es i z ea n d d e n s i t yo fg ei s l a n d sc o u l db ec o n t r o l l e db yt h ei n i t i a lg ec o n t e n to ft h es i g el a y e r , w h i c ho f f e r e das i m p l er o u t et of a b r i c a t e ds m a l lg eq u a n t u nd o t s h o w e v e r , f o rt h e s i g el a y e rp a s s i v a t e dw i t hh y d r o g e n ，l o t so fp i t sf o r m e di nt h es i g ef i l md u r i n g v a c u u mt h e r m a la n n e a l i n g w h e nt h et e m p e r a t u r ed e c r e a s e dt o 5 5 0 。c ，ap l a n a r s u r f a c eo fs i g es u b s t r a t ew a so b t a i n e d ，o nw h i c hah i g hq u a l i t ys i g ee p i t a x yl a y e r 谢t l lt h es a n l ec o n t e n tw a sa l s os u c c e s s f u l l ya c h i e v e d ( 5 ) an o v e ls i g eh p tb a s e do ns i g ev i r t u a ls u b s t r a t eh a sb e e np r o p o s e da n d f a b r i c a t e df o rt h ef i r s tt i m e t h es i g eh p ts h o w e dab r e a kv o l t a g eb v c e oo fa b o u t 14 va n dal o wd a r kc u r r e n td e n s i t yi nt h eo r d e ro f4 m a c m 2a t5 v t h er e s p o n s i v i t y o f1 9 4 m a ww a sa c h i e v e da t1 5 5 1 a mf o rn o r m a li n c i d e n c e ，w h i c hw a sa b o u t2 0 t i m e sh i g h e rt h a nt h a to f p r e v i o u ss i g eh p t w i t hg ed o ta b s o r p t i o nl a y e rr e p o r t e db y o t h e rg r o u p i tw a sa l s ot h ef i r s tt i m et oe x t e n tt h er e s p o n s ew a v e l e n g t hu pt o1 5 5 1 上m f o rs i g eh p tw i t hm u l t i - q u a n t u m - w e l la b s o r p t i o nr e g i o n k e yw o r d s ：s i g e ；h e t e r o j u n c t i o nb i p o l a r t r a n s i s t o r ；h e t e r o j u n c t i o nb i p o l a r p h o t o t r a n s i s t o r ；o x i d a t i o n ；v i r t u a ls u b s t r a t e ；s u r f a c et h e r m a lc l e a n i n g ；u h v c v d i v 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 一少 人 明士尸 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 千 j ( 日解密，解密后适用上述授权。 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 第一章绪论 1 1s i g eh b t h p t 研究背景 近年来，随着无线通信和光纤通信技术的发展与融合，对组成通信系统的 光电子器件性能和成本的要求日益提高。在集成电路里取得巨大成功的s i c m o s 器件，随着工艺技术的提高，器件尺寸按照m o o r e 定律不断减小而能够 获得较高的频率，但是功率特性、线性特性、噪声和阻抗匹配等方面均逊色于 双极晶体管( b j t ) ，在射频微波领域的应用受到了很大限制。而传统的s ib j t 尽 管具有良好的功率特性，但是由于受到体s i 材料自身特性和器件结构的限制， 无法解决增益和频率这一固有矛盾，频率较低，只适合在2 g h z 以下的波段应用。 以g a a s 为代表的i i i v 族材料器件虽然能够满足通信系统对功率和高频的要求， 但是制造成本高，热特性和机械性能均不如s i 器件，更遗憾的是无法与s i 器件 集成。因此，寻找高性能低成本的材料和器件成为了一个亟待解决的问题。s i g e h b t 的出现，使这一问题得到了有效解决。s i g eh b t 采用宽带隙发射区异质结 构，很好地解决了频率与增益之间的矛盾，器件频率得到了质的飞跃。同时， s i g eh b t 还拥有s i 器件高集成和低成本优势，特别是随着s i g eb i c m o s 工艺 开发成功，将s i g eh b t 与c m o s 器件集成在一起实现无线通信系统的单片集 成，进一步地提高了器件的性价比。s i g eh b t 发展至今已经成为s i g e 技术的 主要支撑器件之一，s i g e 材料也因此获得了第二代微电子材料的美誉，受到 广泛重视。 s i g e 的出现不仅继续巩固了s i 基器件在微电子领域的霸主地位，而且为s i 基器件在光电子领域的应用带来了曙光。众所周知，s i 是间接带隙材料，无法 制作适合光纤通信的激光光源。在光电探测方面，s i 材料不仅受到间接带隙的 影响而导致较小的吸收系数，更致命的是它对光纤通信窗口1 3 1 9 r n 和1 5 5 1 a m 光波没有吸收，无法应用于目前的光纤通信系统。而s i g e 虽然仍为间接带隙材 料，在制作发光器件方面依然存在困难。但是，它比s i 具有更长的吸收限，吸 收波长能够扩展到1 5 5 p , m 以上，覆盖目前整个光纤通信波段。因此，可以利用 s i g e 材料制作长波长光电探测器，并且利用成熟的s i 微电子工艺，容易将这种 光电探测器与s i 微电子器件实现单片集成。目前已有较多s i 基s i g e 长波长探 厦门大学博士学位论文 测器的报道【卜5 1 ，器件的结构主要有p i n 结构、波导结构、共振腔增强型( r c e ) 、 雪崩光电倍增管( a p d ) 和异质结光晶体管( h p t ) 几种结构。其中，h p t 和a p d 是 两种具有内部增益的光电探测器，可以获得更高的响应度。但是a p d 在放大信 号的同时也会放大噪声，而h p t 具有优良的噪声特性。除此之外，h p t 与目前 成熟的s i g eh b t 从材料结构到器件工艺完全兼容，容易将两者集成制作成高性 能光接收机。因此，s i g eh p t 在未来的s i 基光电集成模块上将具有更大的应用 潜力。 1 2s i g eh b t 研究进展与存在的问题 ( 1 ) s i g eh b t 研究进展 i b m 公司是s i g eh b t 的创造者也是这一技术的领跑者。1 9 8 7 年，i b m 公司的l y e r 等人首次采用m b e 技术成功地研制出s i g eh b t ，宣告世界上 第一个s i g eh b t 诞生【6 】。两年后，k i n g 等人第一次利用c v d 技术外延并 制备出性能良好的s i g eh b t 7 1 ，但当时仍然无法获得s i g eh b t 的高频特性。 直到1 9 9 0 年，p a t t o n 等人采用自对准工艺才研制出特征频率为7 5 g h z 的s i g e h b t 盯9 1 ，这一指标已是当时报道的s ib j t 频率最高值的两倍。此后，s i g e h b t 得到了广泛重视并迅速成为国际上的研究热点，生产技术和器件性能突 飞猛进。1 9 9 2 年，首次实现s i g e 双极工艺与c m o s 工艺的融合一一s i g e b i c m o s 工艺产生1 1 0 】，它为发展s i g eh b t 大规模集成电路拉开了序幕。次 年，h a r a m e 等人便成功地研制出第一个s i g eh b t 大规模集成电路【1 1 1 。1 9 9 4 年，继第一代s i g eh b t 后i b m 公司又研制出特征频率超过1 0 0 g h z 的第二 代s i g eh b t ，并实现了在2 0 0 m ms i 晶片上的商业化生产【1 2 】。进入2 1 世纪 后，s i g eh b t 的频率特性随着b i c m o s 工艺的进步提高更为迅速，如图1 1 所示【1 0 2 2 】。2 0 0 1 年，特征频率超过2 0 0 g h z 的第三代s i g eh b t 研制成功16 1 。 一年后，第四代s i g eh b t 问世，特征频率达到3 5 0 g h z ，比第三代s i g eh b t 提高了近一倍【1 7 1 。2 0 0 3 年，s i g eh b t 的特征频率进一步提高到了 3 7 5 g h z 【1 8 l 。这是目前为止报道的s i g eh b t 在室温下获得的最高特征频率。 次年，s i g eh b t 的最大振荡频率也达到了3 5 0 g h z ，这也是目前报道的s i g e h b t 获得的最高振荡频率【1 9 】。但科学的脚步仍在前进，研究工作者仍然继 2 第一章绪论 续不遗余力地推动着s i g eh b t 向更高的频段t h z 波段发展。2 0 0 4 年， s h i 等人设计了适合工作在t h z 的s i g eh b t 2 0 2 1 】。2 0 0 6 年，k r i t h i v a s a n 等 人成功实现在4 5 k 低温下s i g eh b t 半t h z 的工作，得到的最大特征频率 f t 为5 1 0 g h z t 2 2 1 。 霄 宣 0 、一 。尸 y e a r 图1 1s i g eh b t 特征频率f t 发展趋势 经过二十多年的发展，s i g eh b t 的频率特性已经得到了很大的提升，可以 与以g a a s 为代表的i i i v 族材料h b t 媲美。但是，s i g eh b t 在大功率方面的 研究却相对较晚。早期，人们认为s i g eh b t 击穿电压较低，低估了它在大功率 领域的应用潜力。而且根据j o h n s o n 计算的关于晶体管频率与功率的基本限制关 系，s i 晶体管特征频率斤和击穿电压b v c e o 的乘积小于2 0 0 g h z v ，g e 晶体管 更小，在1 0 0g h z v 以下【2 3 】。随着研究的深入，s i g eh b t 特征频率与击穿电压 之间j o h n s o n 极限已经不断被突破，如图1 2 所示【2 3 之4 1 。最近的理论研究也表明， 新设计的垂直沟槽s i g eh b t 的f t b v c e o 可以达到2 3 7 5 g h z v 【”1 。这些理论和实 验结果让我们看到了s i g eh b t 在微波功率领域的应用潜力，微波功率s i g eh b t 也自1 9 9 4 年后逐渐被报道出来。图1 3 列出了不同时期一些具有代表性的微波 功率s i g eh b t 的特性【2 印。图中微波功率s i g eh b t 的总体趋势是朝着高频率 和大功率的方向发展，下面将具体介绍。 厦门大学博士学位论文 b v c e o m 图1 2s i g eh b t 的j o h n s o n 极限f t x b v c e o 发展趋势 霄 宣 0 - 一 九 u 口 。 皇 f o 函 y e a r 图1 3 微波功率s i g eh b t 发展趋势 1 9 9 4 年，e r b e n 等人首次发现s i g eh b t 作为功率晶体管具有高频特性【2 7 1 ， 并于第二年研制出工作在c 波段的s i g e 功率放大器，突破了原有s i 晶体管放大 器工作的s 波段2 引。1 9 9 6 年，p o t y r a j 等人研制出第一个工作在s 波段的大面积 大功率s i g eh b t 2 9 1 。由于器件面积较大( p e = 5 9 0 m m ，a b = 0 9 1 m m 2 ) ，在2 8 g h z 工作频率下，饱和输出功率高达2 3 0 w 。第一次证明了s i g eh b t 适合高频大功 4 z110-寄蛊o；口q毒薯。苫u 第一章绪论 率应用，这也是目前报道的面积最大和输出功率最大的s i g eh b t 。同年， s c h u p p e n 等人采用t e m i c 公司的工艺线，研制出多发射极指微波功率s i g eh b t 。 制备的6 0 指s i g eh b t 在1 9 g h z 时，输出功率为1 w ，功率附加效率为4 4 【) 。 此后几年报道的微波功率s i g eh b t 频率略有提高，但主要也是集中在s 和c 波 段。2 0 0 0 年后，美国密歇根大学的m a 等人将功率s i g eh b t 的工作频率进一步 提高到了x 、k u 和k 波段【3 1 3 6 1 。他们研制的s i g eh b t 在工作频率为8 g h z ( x 波段) 时，高频功率优值高达3 8 x 1 0 5 m w o h z 2 ，比以往报道的微波功率s i g eh b t 提高了一个数量级【3 5 1 。在1 8 g h z ( k 波段) 时，s i g eh b t 的最大输出功率为 2 4 7 3 d b m ，这代表了目前s i g eh b t 在k 波段的最高水平【3 4 。 a p p l i c a t i o nf r e q u e n c y ( g a z ) 图1 4s i g eh b t 达到的特征频率f t 及其应用领域 综上可知，随着技术的发展，s i g eh b t 不管是频率特性还是功率特性都取 得了很大的进步。s i g eh b t 也以其低成本、高性能和高集成度的优势进入了无 线通信市场，如图1 4 所示【3 刀。现在，基于s i g eb i c m o s 技术的s i 基器件已经 在0 8 1 0 g h z 范围内成为无线通信市场的主流。例如全球移动通信( g s m ) 、码分 多址( c d m a ) 、无线局域网络( w l a n 8 0 2 1 1 x ) 、全球定位系统( g p s ) 等。除此之 外，s i g eb i c m o s 技术在1 0 g h z - 7 7 g h z 范围也已经显现出巨大的应用潜力，如 本地多点分配业务( l m d s ) ，自动雷达( a u t or a d a r ) ，同步光纤匣j ( s o n e t ) 等。目 前，已有关于工作在7 7 g h z 的s i g e 功率放大器的报道【3 9 3 吼。现在，世界上几乎 厦门大学博士学位论文 每一家b j t 或者c m o s 集成电路的生产厂家，甚至一些作为s i g e 竞争对手的 g a a s 公司，都加入到了s i g eh b t 的开发行列之中。目前已有十余家i c 制造厂 可进行o 1 3 0 1 5 9 m 工艺水平的s i g eb i c m o s 代工业务，如i b m 、a t m e l 、j a z z 等。除了s i g eb i c m o s 技术，亦有数家半导体生产厂家拥有微波功率s i g eh b t 技术，如i n f i n e o n 、m a x i m 等。 ( 2 ) 微波功率s i g eh b t 存在的问题 对于仅追求高频的s i g eh b t ，随着s i g eb i c m o s 工艺的进步，器件特征频 率随着尺寸缩小而不断被突破。但对于微波功率s i g eh b t ，器件面积较大，还 存在较多的问题。首先，对于微波功率s i g eh b t ，既要具有高的工作频率，又 要保证器件获得较大的输出功率，这两者之间本身就是相互矛盾的。目前仍然没 有可行的方法解决两者的矛盾，必须在频率和功率之间进行折衷优化。其次，从 制备工艺的角度出发，微波功率s i g eh b t 的制备工艺要求极为严格，必须避免 高温工艺导致器件性能下降。此外，微波功率s i g eh b t 由于工作在大功率下， 在应用过程中器件的自加热现象也不容忽视。特别是对于多发射极指s i g eh b t ， 各发射极指间的热耦合容易导致单个发射极指温度过高而使器件输出电流坍塌 甚至烧毁。 1 3s i g eh p t 研究进展与存在的问题 ( 1 ) s i g eh p t 研究进展 由于受到材料特性本身的限制，s i g eh p t 远不如s i g eh b t 的发展那么风 光，目前报道的s i g eh p t 仍然停留在实验室阶段。通常，为了增强对入射光的 吸收，需要在s i g eh p t 的基区和集电区之间插入厚的高g e 组分s i g e 层作为吸 收区。但是，s i 和g e 之间晶格失配较大“2 ) ，吸收区s i g e 层g e 组分和厚度 一旦超过临界厚度，将产生位错而导致较大的复合电流，使得h p t 性能下降。 因此，为了增强吸收而又不导致吸收区s i g e 层弛豫，通常采用s i g e s i 多量子阱 ( m q w ) 或者多层g e 量子点作为吸收区。目前对s i g eh p t 的研究工作主要也是 围绕改进吸收区的结构来展开的。下面将以吸收区结构为主线介绍s i g eh p t 的 研究现状，表1 1 列出了一些典型的s i g eh p t 器件结构和特性。 6 第一章 绪论 表1 1 不同结构的s i g eh p t 特性比较 最简单的s i g eh p t 为传统的s i g eh b t 结构，主要有双极工艺和b i c m o s 两种制造工艺。p o l l e u x 等人最早报道了采用双极工艺制备的双台面s i g eh p t ， 器件结构与传统的双台面h b t 相同【4 1 1 。s i g eh p t 在9 4 0 n m 处的响应度为 1 4 9 a w ，3 d b 带宽为0 4 g h z 。后来，t a o 等人报道了采用s i g eb i c m o s 工艺 制备的s i g eh p t a 2 1 ，器件结构与b i c m o s 工艺的s i g eh b t 完全兼容，测试时 加入基极偏置电压，使器件工作在合适的直流工作点以提高频率特性【4 3 舢】。在 8 5 0 n m 处s i g eh p t 的响应度为2 7 a w ，3 d b 带宽为5 3 g h z ，这是目前报道的 s i g eh p t 在8 5 0 n m 处达到的最高带宽。他们也首次实现采用h b t 结构的s i g e h p t 在1 3 l p , m 处的光响应，但响应度非常低，仅为0 0 7 m a w 。 为了提高s i g eh p t 在长波长处的响应度，研究人员提出在基极和集电极之 间插入s i g e s i 多量子阱层作为吸收区的s i g eh p t 结构( m q w - h p t ) 。目前，关于 这种m q w - h p t ，主要是来自于p e i d , 组的报道，他们从器件理论到实验均取得了 较多突破性的进展【4 9 1 。m q w - h p t 在1 3 1 岬处的响应度为0 1 5 a w ，这是目前 报道的s i g eh p t 在1 3 1 1 u n 波长处获得的最高响应度。电学测试结果( 即三极管特 性) 表明h p t 具有良好的频率特性，特征频率f r 和最大振荡频率均为2 5 g h z ， 适合将同种材料结构的s i g eh b t 和h p t 进行单片集成。 7 厦门大学博士学位论文 s i g e s im q w 的采用提高了s i g eh p t 在1 3 1 p a n 处的响应度，但是仍然无 法获得对1 5 5 p r o 光波长的响应。后来，研究人员又提出采用多层g e 量子点作 为吸收区的s i g eh p t 。据r y z h i i 等人模拟分析，g e 量子点结构的s i g eh p t 性 能将优于s i g e s i 量子阱结构的s i g eh p t 跏引j 。一方面，由于纯g e 本身比s i 具有更大的吸收系数和更长的吸收限；另外，零维g e 量子点由于具有较强的量 子限域效应，可望对入射光具有更强的吸收。最早关于采用多层g e 量子点作为 s i g eh p t 吸收区的报道是来自瑞典大学的e l f v i n g 等人【5 2 1 ，当用1 5 5 9 r n 波长的 光从发射区顶部正入射时，s i g eh p t 的响应度为o 1 m a w ；当h p t 采用波导结 构时，入射光从边缘耦合，s i g eh p t 的响应度提高至5 m a w ，首次将s i g eh p t 的吸收波长提高到了1 5 5 w a 。近年来，国内中科院半导体所和清华大学也报道 了采用多层g e 量子点作为吸收区的正入射型s i g eh p t 5 3 - 5 4 。但得到的s i g eh p t 在1 5 5 1 t m 波长的响应度很小，均小于e l f v i n g 报道的0 1 m a w 。 ( 2 ) s i g eh p t 存在的问题 s i g eh p t 作为一个与s i g eh b t 兼容的光电探测器，一方面要求具有h b t 同样良好的电学特性，同时还需要具有良好的光电特性，即具有较高的响应度和 增益带宽积，这为s i g eh p t 的设计与制备提出了更高的要求。目前，s i g eh p t 存在的主要问题在于无法解决吸收区g e 组分与厚度之间的矛盾。为了提高s i g e h p t 在长波长的响应度，必须增加吸收区g e 组分和厚度，但是由于受到临界厚 度的限制，g e 组分和厚度较小，无法实现对入射光的有效吸收导致响应度较低 甚至没有响应。另外，s i g eh p t 响应度还与增益带宽积存在相互制约的关系。 为了获得较大的响应度，需要较大的发射区窗口面积和较厚的吸收区，这就要求 不能通过缩小器件面积和耗尽区载流子渡越时间来提高增益带宽积。除此之外， s i g eh p t 也是结构最为复杂的一种光电探测器，这使得s i g eh p t 在材料外延、 工艺制备以及大规模生产方面面临更大的挑战。 1 4 本论文的工作和构架 本论文结合u h v c v d 系统，首先摸索并优化了s i g e 材料生长的基本条件。 在具备这些生长条件后，设计并制备了工作在l 波段的微波功率s i g eh b t 和基 8 第一章 绪论 于虚衬底的s i g eh p t 。论文共分七章，每章节的具体内容安排如下： 第一章介绍s i g eh b t 和h p t 的研究背景和研究现状，并探讨它们存在的 问题。第二章结合u h v c v d 系统，摸索并优化了s i g e 材料生长条件，总结出 s i g e 材料生长动力学规律。第三章从s i g eh b t 的原理出发，根据微波功率s i g e h b t 的设计规则，结合实际条件，设计了工作在l 波段的微波功率s i g eh b t 。 第四章制备了双台面多发射极指s i g eh b t ，并对基区g e 组分、发射极条宽条 数对器件性能的影响以及器件自加热特性的改善方面进行了系统的研究。第五章 阐述了s i g eh p t 的基本工作原理，创新性地提出了基于虚衬底的s i g eh p t ，并 对这种新型s i g eh p t 进行了一维数值模拟分析。第六章是关于基于虚衬底的 s i g eh p t 材料制备。首先采用氧化法制备了高质量的s i 基和s o i 基s i g e 弛豫 衬底，并引入了氧化物中应力的作用建立了s i g e 氧化动力学模型，根据建立的 模型分析了s i g e 氧化速率增强和氧化自停止现象的原因