（微电子学与固体电子学专业论文）gainpgaas+hbt及其振荡器相位噪声特性研究.pdf

g a i n p g a a sh b t 及其振荡器相位噪声特性研究 摘要 水文主要研究了影响振荡器相位噪声的主要因素，并且提出改善振荡器相位 噪声性能的方法。主要研究内容包括： 一、根据振荡器相位噪声模型，得出了影响振荡器相噪性能的两个主要 因素：构成振荡器的有源器件的相位噪声性能和振荡器谐振器的品 质因数。然后比较了g a l n p g a a s h b t 与其它器件的相噪特性。 二、完成了g a l n p g a a sh b t 工艺流片，研究了流片过程中的几个关键 工艺，给出了器件直流和交流测试结果。 三、提出了一种简单有效的h b t 小信号等效电路参数提取方法，避免了 复杂的数学优化过程和设计专门的测试结构。同样建立在h b t 小信 号等效电路参数提取的方法基础上，利用z 参数分析晶体管噪声网 络方法，得出了最小噪声系数和器件几何、物理参数的关系以及改 善器件噪声性能的方法。 四、探讨了双推振荡器的设计思想。发现这种电路拓扑结构能够有效的 提高振荡器谐振器的品质因数和输出功率、降低相位噪声。最后设 计了振荡频率为1 7 5 g h z 的固定频率振荡器，给出了3 5 g h z 双推振 荡器原理框图。 关键词：g a l n p g a a sh b t ；双推振荡器；小信号等效电路模型 堡! ! ! ! 竺! 墅坚里! 垄苎堡蔓墨塑堡竖至鳖壁塑窒 一4 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h em a j o rf a c t o rt h a ta f f e c tp h a s en o i s ei no s c i l l a t o r a n d p r e s e n ts o m ea p p r o a c ht oi m p r o v ep h a s en o i s ei no s c i l l a t o r t h er e s e a r c ha n dm a i n r e s u l t sa r ea st h ef o l l o w s ： 1 ， b a s e do np h a s en o i s em o d e lo fo s c i l l a t o r , t w om a i nf a c t o r st h a ta f f e c t p h a s en o i s ea r ec o n c l u d e d ：n o i s ep e r f o r m a n c eo fa c t i v ed e v i c ea n d q u a l i t y f a c t o ro f r e s o n a t o r 2 ag a l n p g a a sh e t e r o j u n c t i o nb i p o l a rt r a n s i t o rh a sb e e nf a b r i c a t e d t h e k e yt e c h n o l o g ya r ei n v e s t i g a t e d d ca n da c m e a s u r e sa r ep e r f o m a a n c e d 3 a na c c u r a t ea n db r o a d - b a n dm e t h o df o rh e t e r o j u c t i o nb i p o l a rt r a n s i s t o r s s m a l l s i g n a lm o d e lp a r a m e t e r si sp r e s e n t si nt h i sp a p e r t h i sm e t h o d d i f f e r sf r o m p r e v i o u so n e sb ye x t r a c t i n gt h ee q u i v a l e n t c i r c u i tp a r a m e t e r s w i t h o u tu s i n gs p e c i a lt e s ts t r u c t u r eo r g l o b a l n u m e r i c a l o p t i m i z a t i o n t e c h n i q u e s t h e m i n i m u mn o i s e f i g u r e w a sc a l c u l a t e d b yu s i n g z p a r a m e t e r sa n a l y s i s t h ei n f l u e n c eo ft h ee q u i v a l e n tc i r c u i te l e m e n t so n t h em i n i m u mn o i s ef i g u r ew a ss i m u l a t e db yu s i n gh pa d ss o f t w a r e t h e a v a i l a b l ym e t h o dw a sp r o p o s e dt oi m p r o v ed e v i c eh i g hf r e q u e n c yn o i s e p e r f o r m a n c eb yc h a n g i n gd e v i c e sg e o m e t r y a n dp h y s i c sp a r a m e t e r s 4 t h e p u s h - p u s ho s c i l l a t o ra p p r o a c ha r ei n v e s t i g a t e d a1 7 ，5 g h zo s c i l l a t o r h a sb e e nd e s i g n e d k e yw o r d s ：g a i n p g a a sh b t ；p u s h p u s ho s c i l l a t o r ；s m a l l - s i g n a lq u i v a l e u tc i r c u i t m o d e l g a i n p g a a sh b t 及其振荡器相位噪声特性研究 第一章引言 1 1 现代无线收发系统与器件概况 无线通信的功能是可以使用户可以在不分时空，完成点对点的图像、语音 等数据信号传输。近年来，由于半导体和信息技术的不断取得突破，无线通信技 术逐渐由军事专用转向民用和个人通讯系统。国际通讯联盟( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o mu n i o n ：i i u ) 的调查显示：全球无线通讯用户数，近期将会超越有线通 讯用户，无线通信成为全球性明星产业。 在无线通信系统中，射频前端收发( t r ) 模块是非常重要的部分。如图i 1 所示，其工作原理为：信号接收端，信号经由天线接收，经过t r 开关再送到低 噪声放大器，将信号放大，再进入到混频器，使输入信号下变频为中频信号输出， 再解调出来可用的信号。信号发射端，中频信号经上变频器回到功率放大器，然 后经天线发射。 s 鞋叠n 越 p 阳t “i n 口 睁啪r 惩mp l m _ r 测8 确j 鲫淄脚静潜 黼l 糖 弘m 图1 1 无线通信系统射频前端t r 模块 i 而本地振荡器( l o ) 是射频前端的关键部件，它提供通信系统的本地频率源， 与有用信号混合经上变频或下变频发送调制信号或解调。随着半导体技术的不断 发展，压控振荡n ( v c o ) 在诸如微波通信、雷达、微波测试仪器等领域得到广泛 应用。它的性能和田靠性对通信系统影响很大，因此研制高性能的微波振荡源具 有重要意义。 描述v c o 工作性能的指标包括：振荡频率、调谐范围、线性度、输出功 g a l n p g a a s h b t 及其振荡器相位噪声特性研究! 率和相位噪声等。其中振荡器的相位噪声是影响通信系统性能的主要因素。因为 它代表了信号频率输出的纯度和稳定性。相位噪声的大小直接影响整个收发系统 的收发质量，即直接影响到信 t k ( s n ：s i g n a lt on o i s er a d i o ) 大小。假如相位 噪声太大，则直接影响短期频率稳定度，提高误码率( e e r ：b i t e r r o r r a t e ) ，加 剧邻近信道之间的于扰现象。 相位噪声的产生原因是振荡器输出信号的振幅和相位有起伏现象，输出信 号可以由函数：v ( f ) = - 。+ a ( t ) c o s o g t + 妒o ) 】来表示，爿( ，) 和p o ) 分别表示振幅和 相位的起伏，至于产生起伏的原因不外乎有源器件的1 f 噪声、散粒噪声、热噪 声；无源器件的热噪声；外界环境的噪声干扰。因此降低振荡器的相位噪声是改 善系统工作性能的极为有效的途径。 1 2 v c o 与h b t 器件发展概况 1 2 1v c o 当前发展概况 压控振荡器( v c o ) 是在通信、雷达、电子对抗及测试仪器等各种微波系统 中被广泛应用的重要部件之一。近年来，随着微波半导体器件的迅速发展，微波 同态振荡器也得到迅速发展。隶属于l u c e n t t e c h n o l o g i e si n c ( 朗讯科技) 的b e l l l a b o r a t o r i e s ( 贝尔实验室) 在i s s c c2 0 0 1 上发布了工作频率高达5 0 g h z 的v c o ， 相位噪声也被成功地控制到了- - 9 9 6 7 d b c h z 1 m h z ，这代表了利用c m o s i 艺制作v c o 的最高水平。在这次会议上比利时的k u l e u v e n 大学发布了工作频率 为1 7 g h z 、相噪为一1 0 8 d b c h z 1 m h z 的v c o ，所使用的也是0 2 5 p r o 标准的 c m o s 加：i ：技术。另外，美国u c l a 的a a b i d i 教授所领导的科研小组也推出了相 噪低至一1 5 2 d b c h z 1 m h z 的v c o 制造技术，制造中使用了意法合资s t m i c r o e l e c t r o n i c s 公司开发的b i c m o s i 艺【“。 除了传统的c m o s 工艺，近2 0 多年来其它半导体工艺和器件不断被应用到 v c o 的制作上来，并取得了比c m o s i 艺更加出色的性能。h d j a h a n s h a h i 和其科 研小组利用i n p h b t i 艺制作出振荡频率在2 0 g h z ，相位噪声为一9 0 0d b c h z 1 m h z ，具有宽调频范围的v c o 。( ( i e e em i c r o w a v e a n dg u i d e dw a v el e t t 也报 道了k r o e p e 等利用g a l n p g a a sf i b t 研制出工作频率在3 0 4 0 g h z 的单片v c o 调 谐范围为1 g h z ，典型输出功率在l 3 5 d b m ，最佳相位噪声为- 1 0 7 d b c h z 1 m h z 。v e s n ar a d i s i c 币l j 用h r l 实验室的a l l n a s g a l n a s i n ph e m t 制作v c o ，工 g a l n p g a a sh b t 及其振荡器相位噪声特陛研究 ： 作频率达到7 7 ，5 8 3 5 g h z ，调谐带宽6 g h z 。a n d r e a sg r u h l e $ 口a n d r e a ss c h u p p e n 的论文中也提到利用s i g e i 艺制作出了截止频率为4 0 g h z 的v c o 。目前已知的最 高振荡频率的v c o 是i 扫k e v i nw 的科研小组利用i n ph b t 2 1 2 艺得到的，振荡频率 为1 0 8 g h z ，相位噪声达到了一1 0 9 d b c h z 1 m h z 2 1 。 1 2 2h b t 器件发展水平 s c h o k l e y 在1 9 4 8 年首次提出异质结双极型晶体管的概念，之后h k r o e m e r 进一步阐述了其优点。最近几年，从这种“简单”的思想发展出许多复杂器件， 并且存微波单片集成电路( m m i c ) 和光电集成电路( o e i c ) 得到了广泛应用。现在， h b t 器件被应用到移动通计l 、雷达、微波测试仪器等许多领域中。世界各地的 很多学者都致力于高性能h b t 器件的研究。许多新的思想和工艺不断被提出， 例如：转移衬底技术( u c s b ) ，空气桥：l i 艺( u m o 等。 随半导体材料生长技术的发展，人们在不同半导体衬底( g a a s 和i n p ) 上 利用不同的材料结构形成宽带隙发射区得到了性能各异的h b t 器件。为了减少 寄生电容和电阻，h b t 器件的水平和纵向尺寸也不断减小。例如：自对准技术 古助丁减小发射极一基极问的寄生电阻。 1 9 8 0 年，b e l l 实验室用m b e 方法制成了a 1 g a a s g a a s 异质结双极型晶体 管。s j j e n g 等人成功研制了截止频率达到2 1 0 g 的s i g eh b t 。1 9 8 9 年， b e l l 实验室又首次制成了i n g a a s i n p 异质结双极型晶体管。美国u c s b 大学的 m ，r o d w e l l 教授领导的研究小组在h b t 器件研制方面一直居于世界领先地位。 2 0 01 年他们报道了基于i n p i n g a a s l n p 的双异质结双极型晶体管( d h b t ) ，最 高振荡频率高达4 2 5 g h z 【j j 。 1 3h b t 器件优点 表1 1 列出了现在常用于微波频率的半导体器件，并且从诸多方面加以比 较。 g a l n p g a a sh b t 及其振荡器相位噪声特性研究! 表1 1 常用的半导体器件性能比较 器件类型p h e m tm e s f e th b ts i g es b j t 1 一作频率 1 0 0 g h z2 5 g h z 1 0 0 g h z6 0 7 5 g h z 4 5 g h z 0 1 2 o 5 u0 2 5 o5 u 最小线宽 02 5 1 u m2 3 p , m0 2 o 5 p m 功率向低高低 低 功率效益品低最高 高高 电源取电源双电源单电源 单电源单电源 l 一艺技术m m i c m m i cm m i c i ci c 击穿电压局高最高 低局 单元成本 o 2 1 $ m m 2o ，2 5 5 m m o ，ll $ m m 2 增益高 低局 高局 l n a p c s 应用 m m i c p am m i cm m i c t c 范同 p c s m m l c o e i c 可见，h b t 由于具有工作频率高、功率密度大等优点，因此现在常用来制 作微波频率的放大器和压控振荡器( v c o ) 等部件。 1 3 1h b t 相比同质结双极型晶体管( b j t ) i f j 优点 相比同质结双极型晶体管，异质结双极型晶体管具有许多优点： r 1 ) 注入效率高，因为从基极流入发射极的空穴( n - p n 晶体管发射极中的少 数载流子) 被价带上的高势垒所阻挡。 、 f 2 1 基极电阻小，原因在于不牺牲发射极注入效率情况下，基极可以高掺杂。 f 3 ) 电流密度高，是由于沿发射极一基极压降减小。 f 4 ) 由于电流增益较大而基极电阻小，可以改善频率响应， 显著提高电流 增益截止频率( 厶，) 和最大振荡频率( f m 。) 。 ( 5 ) 相位噪声小a 1 3 2 a l o h a s g a a s 与o a l n p g a a s h b t 性能比较 现在一般研究较多的基于g a a s 衬底的h b t ，不外乎a 1 g a a s o a a s 与 g a l n p g a a sh b t 及其振荡器相位噪声特性研究! g a l n p g a a s 两种。前者是自8 0 年代初划，h b t 玎始发展时所使用的材料，其制 作工艺比较成熟，后来兴起的备种材料，电大都赦仿其工艺流程。g a l n p g a a s h b t 材料之所以成为后起之秀，除具备a i g a a s g a a s 的种种优点外，其材料特 性又更为优越，下面列举了其丰要优点： ( 1 ) 在两者具有相同的发射极基极能带差情况下，g a l n p g a a s 较a i g a a s g a a s 具有较大的价带不连续性和较小的导带不连续。因此，o a l n p g a a sh b t 将较a 1 g a a s g a a sh b t 原有的优点更加显著，而缺点也因导带能带差的减小而 降低4 , 5 1 。 ( 2 ) g a i n p g a a sh b t 的另一个优点是制作【：艺的准确度更高。原因是腐蚀 液对g a l n p 和g a a s 腐蚀选择性较强，因而在腐蚀到g a a s 基区时，腐蚀过程自 然停止，确保形成良好的欧姆接触，使制作工芭难度降低。而a 1 g a a s g a a s 则 没有合适的腐蚀液来区分不同外延层，因此制作工艺难度更大。 ( 3 ) 更为优越的温度稳定性：高温会降低器件截止频率和泄露电流等性能， 因此，在一定温度范围保持器件的工作性能稳定是重要的。 ( 4 ) g a l n p g a a s 材料结构同时可以避免了采用a i g a a s 而产生的氧化污染 问题。也可以避免a l 带来的陷阱。 ( 5 ) 利用采用g a l n p 材料制作的h b t 器件相比a 1 g a a s 具有更低的噪声系 数，更适宜用来作为低噪声应用。原因在fg a l n p 包含更少的d x 复合中心，导 致更小的结泄露电流，而施主类d x 复合中心是产生1 f 噪声和g - r 噪声的主要 原因。另外，更小的表面复合速率也带来了更小的l f 噪声。 1 4 本论文研究目的 本文的目的是研究影响g a i n p o a a sh b t 振荡器的相位噪声性能的主要因 素。 第二章从数学角度分析了振荡器的相位噪声模型，分析了构成振荡器各个 模块对振荡器输出信号相位噪声的影响，因而得出了改善振荡器相位噪声性能的 主要研究方向。 第三章从器件物理角度分析了构成振荡器的有源器件( g a l n p g a a sh b t ) 。 简单描述了h b t 工艺流程，着重研究了台面腐蚀、离子注入隔离、钝化等关键 工艺，以及在工艺上改善器件噪声性能的方法。 g a l n p g a a sh b t 及其振荡器相位噪声特性研究 卫 第四章提出了一种避免了采用特殊测试结构和数学优化技术，基于器件物 理本质的g a h 许 g a a sh b t 小信号等效电路参数提取方法，以及利用基于器件z 参数计算器件噪声系数的方法，仿真分析了器件物理参数对器件最小噪声系数的 影u 向。 第五章完成了1 7 5 g h z 振荡器的设计，并且分析双推振荡器设计思想，得 出这种拓扑结构对振荡器相位噪声和输出功率的影响。 第六章为本论文的结论。 g a i n p g a a sh b t 及其振荡器相位噪声特性研究 旦 第二章振荡器相位噪声分析 相位噪声是高稳定高纯度振荡器的最重要特性之一一。理想的振荡器应该输 出单一纯净的频率，而实际的振荡器由于各种随机噪声引起的瞬时频率或相位变 化，存中心频率附近会出现起伏( 即相位噪声) ，它决定频率源的短期频率稳定度。 2 1 频域分析1 6 】 下面图21 是理想振荡器与实际振荡器的频带示意图： j ff ( a ) ( b ) 图2 1 理想振荡器( a ) 与实际振荡器( b ) 的频谱示意图 对于个理想的、无噪声的振荡源，设载频为，其对应的频谱应该如图 2 1 ( 曲所示，它是一根纯净的谱线。但实际上由于振荡器内部总是存在噪声，这 些噪声将对频率和振幅进行调制，所以实际的振荡器频谱将如图2 1 ( b ) 所示。 相位噪声对系统的影响，可以如图2 2 描述： 信 信号进行 混频 lf 额e 刃 1 、一 k， 图2 2 相位噪声对系统的影响 可见，噪声信号进入工作频段，影响通信系统。所以性能越优良的振荡器 其相位的起伏越小，也越接近理想的振荡器。 如图2 3 所示：准确的相位噪卢定义如下； 单边带相位噪声谱密度表示为偏离中心频率f 处频宽1 h z 的噪声强度与中 g a i n p g a a s h b t 及其振荡器相位噪声特性研究 心频率信号强度的比值。一般以锄为单位。 图2 3 单边带相位噪声谱密度不意图 假、发振荡器瞬时输出电压可以表示为： v ( f ) = d + 爿( f 肌c o s ( o 。h 妒o ) 】( 2 1 ) 式中v o 为输出电压的标称振幅。为输出电压的标称角频率；爿( ) 为输出电 压的振幅起伏，妒o ) 为输出电压的相位起伏，它是随机噪声对频率调制引起的相 位起伏。考虑到在实际的稳定振荡器中，相对振幅起伏很小，故分析调频噪声时 可以不计调幅噪声的影响。所以式( 2 1 ) 可蚍简化为v ( f ) = c o s t o o ，+ 妒o ) 】。 为了便于分析，通常把一定频带内的噪声功率等效为某一单一正弦波调频时 的单边带功率。于是单一正弦波调制的频偏也就是对应于这个频带的均方根频 偏，这样就归结为求单一正弦波调制时的频偏和单边带功率的关系。 单一频率调制的调频波可以表示为 v ( f ) = v oc o s c o 。t + 3s i n ( c o 。f ) 】( 2 2 ) 0 9 。是调制角频率：是最大相位偏移，也是调制指数。由于频率是瞬时相 位对时忸】的导数，因此研究瞬时频率稳定度问题可以归结为研究瞬时相位起伏问 题。令式( 2 2 ) 余弦相角对时间求导便可以得到瞬时频率关系 鲫= 丢( 妒) g a l n p g a a s h b t 及其振荡器相位噪声特性研究 产 + 鲁 掣h 埘枷( 吖) 亿， 由式( 2 3 ) n 失n ，瞬时频率= 载波频率+ 频率调制项。调制的最大频偏为卢， 可以记为： 4 f = a ， ( 2 4 ) 根据调制的最大频偏可得到调制指数口 8 ：肇 ( 2 5 ) 贝u ： v 。，= c 。s 。r + 今；s i n c 国。r ， c z s ， 为了求出调频边带功率大小，根据调频波理论，可以利用下述三角函数和贝 塞尔函数关系进行恒等变换。 c o s ( a + 昱) = c o s 0 ) c o s ( 占) 一s i n ( a ) s i n ( b )( 2 ，7 ) c o s ( a ) c o s ( b ) = 0 5 c o s ( a 一口) + 0 , 5 c o s ( a + b )( 2 8 ) s i n ( a ) s i n ( b ) = 0 5 c o s ( a 一口) 一o 5 c o s ( a + b ) c o s xs i n ( b ) l = j 。b ) + 2 j ，( x ) c o s ( 2 b ) + 2 ，。( x ) c o s ( 4 b ) + s j n k s j n 陋) 】= 2 j 。0 ) + 2 j ，0 ) s j n ( 3 占) + 2 j ，b ) s i n ( 5 占) + ( 2 9 ) f 2 1 0 ) ( 2 “) 将式( 2 7 ) 代入式( 2 2 ) 中，展开得到 练蹴t ) c o s ( f l 胚s i n m ( 瓣c os i n ( 。o 。t ) s i n ( f ls i n ( 。o 删 ( 2 1 2 ) = 【c o s ( ) ) 一。f ) ) m “ 考虑调制信号频谱，并将c o s ( , 3s i n ( c o 。，) ) 和s i n ( f l s i n ( c o 。f ) ) 利用泰勒级数展了下 并用贝塞尔函数替换系数表示： 偶函数部分： c o s ( s i n 白。t ) ) - - j o ) + 2 j ：( f 1 ) c o s ( 2 c o 。f ) + ，+ 2 j ：。( f 1 ) c o s ( 2 n c o 。，f ) + 奇函数部分： g a l n p g a a sh b t 及其振荡器相位噪声特性研究 s i n ( p s i n ( c o 。r ) ) = 2 j ，( ? ) s i n ( c o 。t ) + 2 j ，( f 1 ) s i n ( 3 c o ，f ) + + 2 j ：。一，( f 1 ) s i n ( 2 n 一1 b 。，f + 再利用a ( 2 ，8 ) 和( 2 9 ) ，则： s 哆烈尹一七。s 咚飞卜c u o s ( o ) o + ( 0 m 小 ( 2 1 3 ) j 2 o s 如。一2 。l c o s o + 2 c o 。，卜 - “ 该式表明：一个调频波 _ j 载波及调频边带分量组合而成。每个边带的功率大 小取决于调制指数口。对于大的调制指数，会出现多个边带，其符号交替变化。 当= 0 时，j o ( o ) = 1 ，而其他以( o ) = 0 当稍偏离零， ) 的大小数量级与1 相近，其它高次以) 皆远小于1 ， 故可以忽略不计。 因为 钟的转速旋涂6 8 0 9 胶，置于8 0 。c 烘箱中蜂烘 15 分钟。利刚第四块掩膜版进行光刻，曝光1 0 0 秒，显影5 秒。等离子打底膜 2 0 秒，置于8 0 。c 烘箱中坚烘1 5 分钟。利用台阶仪测量光刻胶厚度，用半导体 管特件图示仪测试有源区的击穿电压。用h 3 p 0 4 ：h 2 0 2 ：h 2 0 = 3 ：l ：5 0 比例的 溶液腐蚀掉c a p 层，再用浓h c l 溶液腐蚀g a l n p 缓变层，直至基极o a a s 层( 腐 蚀过程中不断测试腐蚀深度和击穿电压以确定腐蚀位置) 。 血、 光刻、腐蚀集电极台面 第五次光刻：清洗样品，去离子水冲洗，烘干。以4 0 0 0 转分钟的转速旋涂 6 8 0 9 胶，最予8 0 。c 烘箱中坚烘1 5 分钟。利用第五块掩膜版进行光刻，曝光 1 0 0 秒，显影5 秒。等离0 打底膜2 0 秒，置于8 0 。c 烘箱中举烘1 5 分钟。用柠 g a l n p g a a sh b t 及其振荡器相位噪声特性研究 丝 檬酸腐蚀液( 将柠檬酸与水按1 ：1 比例( 质量比) 配制成溶液，将配制好的溶 液与1 】1 2 0 2 按5 ：1 ( 体积比) 配制) 腐蚀掉c a p 基极层和集电极层，( 腐蚀过程 中f i 断测试腐蚀深度和击穿电压以确定腐蚀位置) 直至腐蚀台面开启电压约为 5 v 为止。 六、光刻、蒸发集电极 第六次光刻：清洗样品，去离子水冲洗，烘干。以4 0 0 0 转分钟的转速旋涂 6 8 0 9 胶，置于8 0 。c 烘箱中坚烘1 5 分钟。利用第六块掩膜版进行光刻，曝光 】0 0 秒，在氯苯溶液中浸泡5 分钟，显影5 秒。等离子打底膜2 0 秒，将样品放 入h c i ：h 2 0 = 1 ：1 0 比例的溶液中浸泡3 0 秒钟，去除g a a s 氧化层。在样品表 面真空蒸发金属a u g e n i ，剥离金属。去离子水冲洗，烘干。 将样品放入合金化炉中，n 2 环境、4 0 0 。c 温度下合金1 5 秒。 七、边墙隔离 在样品表面沉积厚度为2 0 0 0 埃的s i n ，以4 0 0 0 转分钟的转速旋涂6 8 0 9 胶， 置f8 0 。c 烘箱中坚烘1 5 分钟。利用第七块掩膜版进行光刻，曝光1 0 0 秒，显 影5 秒。反刻s i n ，使之形成边墙。 八、光刻、蒸发基极 第八次光刻：清洗样品，去离子水冲洗，烘干。以4 0 0 0 转分钟的转速旋涂 6 8 0 9 胶，置于8 0 。c 烘箱中坚烘1 5 分钟。利用第八块掩膜版进行光刻，曝光 1 0 0 秒，在氯苯溶液中浸泡5 分钟，显影5 秒。等离子打底膜2 0 秒，将样品放 入h c l ：h ，o = l ：1 0 比例的溶液中浸泡3 0 秒钟，去除g a a s 氧化层。在样品表 面真空蒸发金属c r a u ，剥离金属。去离子水冲洗，烘干。 九、制作空气桥 清洗样品，去离子水冲洗，烘干。以4 0 0 0 转分钟的转速旋涂6 8 0 9 胶，置 于8 0 。c 烘箱中坚烘1 5 分钟。利用第九块掩膜版进行光刻，开出桥墩，曝光1 0 0 秒，显影7 秒。在样品表面真空蒸发金属c r a u ，不剥离金属，直接再次以4 0 0 0 转分钟的转速旋涂6 8 0 9 胶，置于8 0 。c 烘箱中坚烘1 5 分钟。利用第十块掩膜 版进行光刻，曝光1 0 0 秒，显影7 秒。开出桥梁，引线电极，电镀a u ，然后剥 离，既成为空气桥。 十、钝化 g a l n p g a a sh b t 及其振荡器相位噪声特性研究 堑 以4 0 0 0 转分钟的转速旋涂2 2 9 i n 聚酰亚胺胶，置于1 5 0 。c 烘箱中坚烘1 小时。然后以4 0 0 0 转分钟的转速旋涂6 8 0 9 胶，置于8 0 6c 烘箱中峰烘1 5 分钟。 利用第十块掩膜版进行光刻，曝光i 0 0 秒，显影时间约3 5 秒。以便将桥梁下的 聚酰亚胺显影掉。再将样品放入2 0 0 。c 烘箱中举烘2 小时。固化聚酰亚胺，以 便使聚酰亚版i 生能稳定，起到良好的钝化效果。 3 2g a l n p g a a sh b t 芙键工艺研究 3 2 1 基区台丽腐蚀 在h b t 工艺中，腐蚀基区台而一直要腐蚀到亚集电层，才能蒸发集电极金 属。这一腐蚀深度较人，般在0 5 1 o l m 。实验中h 3 p 0 4 ：h 2 0 2 ：h 2 0 系列腐 蚀液对g a a s 的腐蚀侧向腐蚀严重，且形成漏斗形状。如果被腐蚀区域与台面基 极间距太小，很可能侧向腐蚀到基极指位置，如图3 2 ( a ) 所示，实验中改用柠檬 酸腐蚀液可以避免i 二述问题的发生，柠檬酸腐蚀液对g a a s 的侧向腐蚀轻，形成 台面边缘较为陡直，如图4 2 ( b 1 所示。柠檬酸腐蚀液的配比如下：将柠檬酸与水 按1 ：1 配制成溶液( 柠檬酸为同体用天平称取，水比重为1 ，用量筒按体积量 取) ，将配制好n 勺溶液与h 2 0 2 按5 ：1 配制。该腐蚀液在室温下对g a a s 的腐蚀 速率为3 0 0 0 a 分。 ( a ) 磷酸惜锄( p h o s p h o r i ca c i de t c h i n g ) ( b ) 柠檬酸腐蚀( c i t r i ca c i de t c h i n g ) 图3 2h b t 的s e m 照片 32 2 欧姆接刖l 接触金属小仅影响器件电气- | 生能优化并且划影响h b t 可靠性是极为重要 g a i n p g a a sh b t 及其振荡器相位噪声特性研究 堑 的。一般用来制作h b t 发射极和集电极接触电极的金属材料是a u g e - n i 和 t i - p t a u 。接触技术和可靠性相关的主要问题是金属尖峰形成使金属扩散进入外 延层导致器件短路失效，a u g e - n i 合金化产生良好的欧姆接触原因是退火过程 使金属核能够进入材料的空位的结果。而金属核特别是a u 扩散进入基区会导致 3 一e 泄露，极端情况导致b c 短路。其他的影响还包括产生接触电阻恶化和表面 j h 糙。 因此选择a u g e n i 作为发射极和集电极接触金属，t i p t a u 作为基极接触 金属时，一方面要对发射区台面的腐蚀要求有准确的精度控制，因为h b t 基区 很薄，过腐蚀会导致欧姆接触金属生长在集电区上。另外考虑到合金温度或时间 与半导体掺杂浓度成反比，将合金温度高的发射极和集电极先于合金温度低的基 极电极制备。我们没有采用常规的发射极一基极集电极的制备。从而保证三个电 极都具有良好的欧姆接触( 电阻率约1 0 c m 2 ) 。形成发射极和集电极的欧姆接 触金属为a u g e n “a u ，合金温度和时间分别为3 8 0 和3 0 秒。形成基极电极金 属为c r a u 或t i p v a u 。基区掺杂浓度高达5 1 0 1 9 c m - 3 以上，半导体为简并半导 体。这时金属与半导体接触几乎没有整流特性，即为欧姆接触。如果欧姆接触不 理想，也可以在低温下( 2 8 0 3 3 0 。c ) 适当合金即可。 3 2 ，3 离子注入隔离 散器件隔离采用化学腐蚀隔离或者离子注入方法，由于h b t 器件尺寸很 小，而且是纵向结构，三个电极处于不同高度，另外h b t 外延层由多层很薄的 不同材料组成，所以利用化学腐蚀方法会有两个问题；增加制作空气桥的难度， 降低器件的可靠性。腐蚀过程中要选择多种腐蚀液，且要精确的控制时间。 因此我们选择离子注入方法隔离器件。这种方法的好处还在于能够有效减 小基极一集电极电容c 改善器件商频和噪声性能。 我们选择氢离子( 质子) 作为注入离子，质子注入隔离是将质子以一定能 量和剂量注入外延层，使其成为绝缘i 层。为了在整个h b t 结构中获得近似均 匀损伤，必须采用多次能量和剂量的质子注入，氢离子注入后的浓度分布服从以 下高斯分布函数： 出乒彘斗错 - ， g a l n p g a a sh b t 及其振荡器相位噪声特性研究 翌 其中n 。为h + 离子注入剂量，x ，为注入深度，r 。为平均投影射程即离子注 入深度的平均值，a r ，为半高宽即注入深度x p 对平均值r p | i 勺偏离值的均方根 r ，= 胁一r p ) 2 ) p = 鲋；) 平均投影射程 ( 3 2 ) r 广( x 。似) ) _ ；d ej ，d e j t 3 3 ) 2 j 两司杈9j ) 习司i 万雨i 其中万b = j d j ( 1 - c o s 8 ) ，氐陋) = d 打c 。s 臼，n 为离子入射靶密度 e 为散射角，t 为离子 入射日寸敞划失去的能量，d 占为原子核和电子微分散射截面之和，e 是离子 入射能量。 6 。2 【2 “十“】- 8 ；一 ( 3 4 ) tx ；te ，= ，f 错ar7 ， ，= 。j 等蚩半 re+de 7 qr 而了而i 可 ( 3 5 ) 将( 3 3 ) ，1 3 5 ) 式代入( 3 4 ) 式求得( ；) ，9 4 2 - - ( 3 2 ) 式得到r ，的值。 由( 3 2 ) ，3 ) 式代入( 3 1 ) 式得到注入离子浓度随注入深度( 出注入能量 决定) 的函数关系曲线。 撕。 ji 酽 l ，。， 一 g a l n p g a a sh b t 及其振荡器相位噪声特性研究 图3 3 g a l n p g a a sh b th + 隔离注入浓度分布曲线 ( a ) 不同条件下分布曲线( b ) 叠加曲线 图3 3 ( a ) 是h + 在不同注入能量和剂量下的浓度分布曲线图，图3 3 ( b ) 是7 次注入后的叠加结果。从图可看出，注入后叠加结果在表面1 5um 外延层曲线 几乎为直线，即时离子浓度都近似1 0 2 0 c i i l 。3 均匀分布。而且在外延层2 um 处仍 有1 0 ”c m 。这样h + 注入后使得隔离区变成i 层，i 层的形成是由于质子( h + 瘴 击时产生大量的空位，这些空位又以相当的速度向衬底内部扩散，并与杂质形成 复合缺陷而发生补偿所致。 由离子注入所产生的晶格缺陷在禁带中形成各种能级，而这些能级所起的 作崩随带宽的不同而不同。在禁带宽度比较大的半导体中，它们起受主作用。因 此，要在p 型衬底中通过离子注入来形成n 型层是困难的。但在比较窄的半导体 中，它们所起的作用就不同，很容易形成n 型层。实验证明【9 】，在禁带宽度较大 的g a a s 中，不管是对r l 型衬底还是p 型衬底，注入h + 都形成高阻层。这是因为 在禁带宽度较大的半导体中注入矿时，一般在导带下面形成深受主能级，在价 带| 二面形成深施主能级。这些能级不仅起陷阱作用，同时也起施主或受主作用， 从而抑制了载流子的产生。从h b t 材料结构看，对n p n 型情况，两端即发射区 和集电区包括亚集电区是r t 型层，而中间是g a a s 掺c 的p 型层。发射区g a l n p 是宽带隙材料。因此采用h + 注入在h b t 结构中三个不同区域均能。因此，必须 针对 i b t 结构中不同层的不同掺杂浓度，响应选择h + 离子注入剂量。另外由于 h b t 外延层一一般均在1 3 2pm 左右。本文所用材料为1 4 1um 。采用h + 以外 的离子均无法达到如此深度，如r 在4 0 0 ke v 注入能量时，在g a a s 中的最大深 度仅为0 6 pm ，还不到h b t 外延层厚度的一半。对于我们现有的最大能量 t 8 0 k e v 离子注入机，是无法有效的隔离；而采用h + 注入就基本能满足实验要求。 3 2 4 钝化 由于基区表面复合电流对器件噪声性能影响较大，而且会降低器件的长期 司靠性。所以在器件制作过程中应该采用钝化工艺将裸露在空气中的基区表面保 护起来，在实验中我们利用光刻工艺在裸露的基区表面制作聚酰亚胺层， 并且 放入2 0 0 。c 烘箱中坚烘2 小时。固化聚酰亚胺，以便使聚酰亚胺性能稳定，起 到良好的钝化效果。实验结果表明：采用聚酰亚胺对器件的钝化效果很好。 g a l n p g a a sh b t 及其振荡器相位噪声特性研究 3 3 d c 和a c 测试结果 流片结束后，我们测试了单指2 1 5 佣2 h b t 器件的直流和交流特性。 3 3 1 直河i 特性测试 列于实际j 用的h b t 器件，刘品体管的直流特性有不同的要求，因此对晶 体管直流特。陛1 勺测试是必要的。和微波交流特性的测试相比，直流特性的测试显 得相对简单。川米做直流测试的仪器有：h p 4 1 4 5 b 晶体管直流参数分析仪、 x j 4 8 1 0 半导体特。陀图示仪和探针台。 00 3 5 00 3 0 0 0 2 5 00 2 0 一 s00 15 旦 00 10 00 0 5 00 0 0 00 0 5 剧3 4h b t 直流参数测试电路原理图 图3 5h b t 测试结果曲线图( v c e i c ) 一一。竺! ! ! ! ! 鱼! 垒! 坚曼! 垦基堡蔓鲎塑丝堕妻堑墼堑壅 一3 0 3 3 2s 参数测试 s 参数测试使用的主要仪器有h p 8 7 2 2 d 矢量网络分析仪、c a s a d em i c r o t e c h s u m m i t1 2 0 0 0 微波探针台；辅助测试仪器有标准测试件i s s 、直流偏置电源。 测试原理框图如下图3 6 所示： 图3 6s 参数测试示意框图 表3 3 为在偏置条件为：i b = 3 5 0 t t a ，v c e = 2 v ，频率范围在1 5 2 5 g 一1 9 7 5 g h z 测试得到的s 参数。 表3 3s 参数测试结果 频率( g h z ) s 】1s 2 ls 1 2$ 2 2 152 50 6 6 8 4 1 6 4 9 2 22 6 5 8 1 1 1 0 1 5 0 4 80 0 8 4 8 5 1 7 0 2 9 40 1 8 3 6 1 3 0 3 3 5 3 1 5 50 6 6 8 2 - 1 6 6 1 7 8 12 6 8 9 0 “i 5 0 6 8 40 0 7 8 2 6 1 8 0 0 8 6o 1 6 5 7 - 1 3 2 3 6 5 1 8 1 5 7 50 6 8 0 9 - 1 6 7 7 9 2 32 5 5 3 4 111 5 7 7 4 20 0 7 6 7 5 9 1 6 5 1 30 1 8 2 - 1 2 9 2 6 4 4 8 1 60 6 8 9 3 7 1 6 6 1 5 7 l2 6 0 3 4 1 1 0 8 1 3 7 10 0 7 9 0 5 7 9 1 8 9 40 1 8 6 0 - 1 2 9 9 5 6 6 1 6 | 2 50 6 8 2 8 1 6 8 1 1 9 92 5 1 2 8 1 1 1 7 3 0 7 50 0 8 1 9 6 1 4 1 6 9 4o 1 7 4 1 13 2 7 6 6 1 1 65o 6 8 8 8 ，_ 1 6 6 1 8 5 42 4 9 5l 11 2 0 6 9 7 10 0 8 4 8 5 5 2 4 3 8 3o 1 9 0 4 1 3 5 3 4 5 9 8 1 6 7 50 6 7 2 6 。1 6 8 7 2 4 82 4 7 2 8 111