（微电子学与固体电子学专业论文）4hsic+npn双极晶体管特性研究.pdf

摘要 摘要 本文对4 h s i c 双极晶体管的特性进行研究。在二维模拟软件m e d i c i 中建立数 值模型，然后利用模拟对其特性进行研究。 根据大量的国外实验文献，提取了大量的实验数据，然后在m e d i c i 中建立 4 h s i c 双极晶体管的参数数值模型。包括：能带随温度变化模型、迁移率模型、 俄歇复合模型、s r h 复合模型、碰撞电离模型、不完全离化模型以及隧道击穿模 型。建立起来的模型模拟得到的结果和国外的实验结果较为一致，因此证明了在 模拟软件中建立的数值模型是可信的，为进一步在软件中对4 h - s i c 双极晶体管特 性进行研究提供了有力的支持。 本文还讨论了建立s i c 异质结双极晶体管，以改善4 h s i c 双极晶体管的特性， 如直流电流增益较小等缺点，并总结了目前s i c 异质结双极晶体管的发展。 关键词：4 h s i c 双极晶体管数值模型异质结 a b s t a a l c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c so f4 h s i cb i p o l a rt r a n s i s t o rh a sb e e ns t u d i e d i t s n u m e r i c a lm o d e lh a sb e e nd e v e l o p e dw i t ht h et w od i m e n s i o n a ls i m u l a t o r - m e d i c i ，a n d t h e n , t h ec h a r a c t e r i s t i c so f d e v i c eh a v eb e e ns i m u l a t e d t h ep a r a m e t e rm o d e l sh a v eb e e nd e v e l o p e dc o n s i d e r i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t a f r o mh u n d r e d so fl i t e r a t u r e ss u c ha si e e e sp u b l i c a t i o na n da p p l i e dp h y s i c s ，t h a t i n c l u d e b a n d g a pm o d e l ，m o b i l i t ym o d e l ，a u g e r r e c o m b i n a t i o n m o d e l ，s r h r e c o m b i n a t i o nm o d e l ，i m p a c ti o n i z a t i o nm o d e l ，i n c o m p l e t ei o n i z a t i o nm o d e lo f i n p u r i t i e sa n db a n d - t o - b a n dt u n n e l i n gm o d e l t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na r e f i tf o rt h e e x p e r i m e n t a ld a t aw e l l ，s ot h a tt h ep r e s e n tm o d e li sb e l i e v a b l e t h i sn u m e r i c a lm o d e li s h e l p 觚f o rf u r t h e rr e s e a r c ho nt h e4 h - s i cb i p o l a rt r a n s i s t o r i na d d i t i o n ，s i ch 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 ri sd i s c u s s e df o ri m p r o v i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so fs i ch o m o j u n c t i o nb i p o l a rt r a n s i s t o r , f o re x a m p l ei tc a ni n c r e a s et h e d e v i c e sc u r r e n tg a i n t h ed e v e l o p m e n to fs i ch e t e r o g e n e i t yb i p o l a rt r a n s i s t o ri sa l s o s u m m a r i z e di nt h ee n d k e y w o r d s ：4 h - s i cb i p o l a r j u n c t i o nt r a n s i s t o rn u m e r i c a lm o d e l h 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 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：! 瑶犁醚 关于使用授权的声明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本人签名：叠：基建 导师签名：j 址 日期：趔2 ：2 日期：出尊：f ：； 第一章绪论 第一章绪论 1 1s i c 双极晶体管概述 碳化硅( s i c ) 材料是继第一代元素半导体材料( s i ) 和第二代化合物半导体 材料( g a a s 、g a p 、i n p 等) 之后发展起来的第三代宽带隙( w b s ) 半导体材料。 1 1 1s i c 材料简介 s i c 与s i 相比，有较宽的禁带宽度( 2 2 e v 3 3 e v ，是s i 的2 倍以上) ，高的 临界电场( 约为s i 的l o 倍) ，高热导率( 约为s i 的3 倍) ，高载流子饱和速度( 约 为s i 的2 倍) 。宽禁带使得本征载流子浓度低，相应器件漏电小，有利于制作c c d 器件及高速存储器；宽禁带还使器件的安全工作温度的上限高，且抗辐射能力强； 高的临界电场使器件有更高的击穿电压，高热导率使更有利于器件的散热，可允 许较大的电流密度，从而功率输出能力更强；高载流子饱和速度则更有利于器件 的高频应用。可见，s i c 在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大 的应用潜力。在当今通信、国防、航空航天、汽车、石化等诸多领域对半导体器 件和电路提出更高要求而s i 材料和器件日益显示出其局限性的情况下，s i c 以其 优异的物理化学特性，引起了人们广泛的关注和重视。 表1 1 室温下几种半导体材料特性的比较 类型 s ig a a s6 h - s i c4 h s 虻3 c s i c 禁带宽度e v 1 11 4 23 o3 2 62 3 击穿场强( 掺杂 0 6 o 63 23 1 5 1 0 1 7 c m - 3 ) m v c m 1 电子迁移率( 掺杂 1 1 0 0 6 0 0 02 0 0 3 0 08 0 07 5 0 1 0 “o l l - 3 ) e m 2 ( v s y l 空穴迁移率( 掺杂 4 2 03 2 06 01 1 54 0 1 0 1 6 c m - 3 ) c m 2 ( v s y l 饱和电子漂移速度 1 0 7 1 0 7 2 x 1 0 7 2 x 1 0 7 2 6 x 1 0 7 c m s 1 热导率a v ( c m k ) 1 l 50 54 94 95 0 2 4 h - s i cn p n 双极晶体管特性研究 1 1 2s i c 的微观结构 s i c 之所以有如此优良的物理和电学特性，是由其微观结构特性决定的。s i c 是一族二元化合物半导体，也是元素周期表族元素中唯一一种固态化合物。 构成s i c 的两种元素s i 和c ，每种原子被四个异种原子所包围，通过定向的强四 面体s p 键结合在一起，并有一定程度的极化。硅的电负性为1 8 ，碳的电负性为 2 6 ，由此确定离子性对键和的贡献约1 2 。s i c 晶体具有很强的离子共价键，这反 映出其能量的稳定性。 s i c 具有很高的德拜温度，达1 2 0 0 k - 1 4 3 0 k ，因此决定了s i c 材料对于外界作 用的稳定性，在力学、化学方面有优越的技术特性。s i c 是一种天然超晶格，其最 显著的特点是存在多种同质异型体( 目前已发现的近2 0 0 种) ，即s i c 晶体在化学 计量成分相同的情况下具有不同的晶体结构如闪锌矿结构、纤维锌矿结构和菱形 结构。一般把纤维锌矿结构和菱形结构的多型体统称为a s i c ，把闪锌矿结构的s i c 称为9 - s i c 。按元素间负电性的差别影响化合物结构排序过程的经典观点，s i c 晶 格点阵动力学认为可以存在一个闪锌矿一纤维锌矿结构族，这个结构族由相同的 基本结构层构成，差别仅仅是它们的 拉簧鳆授墨 o 霸一胺硅 图1 1s i c 中s i 和c 原子的位置和投影。 ( a ) 基本的s i c - c 四面体；( b ) 个四面体层的投影；( c ) 纤维锌矿结构的两个毗邻四面体层的投 影；( d ) 闪锌矿结构的两个毗邻四面体层的投影；( e ) 原子不同位置的投影 第一章绪论 排列次序不同。图1 示意出了s i c 的结构。基本结构层包括一层s i 和一层c ，如 图1 弧线所标示。基本结构层按a b a b 排列的是纤维锌矿结构( 六方结构) ， 1 5 r ( a )( b )( c )( d ) 图1 2 在( 1 1 2o ) 面上的原子的位置 ( a ) 在3 c 中原予的位置( b ) 在朝中原予的位置( c ) 在4 h 中原子的位置 ( d ) 在1 5 r 中原子的位置 按a b c a b c 排列的是闪锌矿结构( 立方结构) ，最常见的s i c 多型体中，2 h s i c 是纯粹的六方结构，3 c s i c 是纯粹的立方结构，而4 h 和6 h 则是六方结构和立 方结构的混合体，两种结构所占的比例，在4 h - s i c 中是l ：l ，在6 h s i c 中是1 ：2 。 1 1 3s i c 材料的应用 随着科学技术的发展，越来越多的领域如航天、航空、石油勘探、核能、通 信等，迫切需要能够在高温及辐射等极端环境下工作的电子器件【2 ，3 4 】。表1 2 列 出了这些领域中当前和未来对电子器件的温度要求【5 】。 表1 2当前与未来半导体器件工作温度的比较 应用领域当前工作温度( )未来工作温度( )可靠性( 小时) 汽车电子1 2 5 1 4 01 6 5 2 5 01 0 ，0 0 0 航空 1 2 52 0 0 1 0 ，0 0 0 航天 3 0 05 0 0 1 0 ，0 0 0 - 3 0 ，0 0 0 石油钻井 1 7 51 7 5 1 0 ，0 0 0 - 3 0 ，0 0 0 地热开发 2 0 0 2 5 0 2 6 0 1 0 ，0 0 0 - 3 0 , 0 0 0 功率电子 1 2 52 5 0 5 0 0 1 0 ，0 0 0 3 0 ，0 0 0 abcbc8acbcacba 4 4 h - s i cn p n 取极晶体管特性研究 众所周知，硅器件难以在高于2 5 0 0 c 的高温下运行，特别是当高的工作温度、 大功率、高频、及强辐射环境条件并存时，硅器件就更无法“胜任”。因此，在寻 求高温工作的器件的同时，研制高频、大功率、抗辐射能力强的半导体器件成为 9 0 年代以来微电子领域研究的热点之一【6 ”。 s i c 材料的宽禁带使得其器件能在相当高的温度下( 5 0 0 0 c 以上) 工作以及具 有发射蓝光的能力：高击穿电场决定了器件的高压、大功率性能；高的饱和电子 漂移速度和低介电常数决定了器件的高频、高速工作性能；高热导率意味着其导 热性能好，可以大大提高电路的集成度【s 】，减少冷却散热系统，从而大大减少整机 的体积。此外s i c 具有很高的临界移位能，这使它具有高的抗电磁波冲击和高的 抗辐射破坏的能力，s i c 器件的抗中子能力至少是s i 器件的4 倍。表1 3 总结了 s i c 材料的未来应用领域【3 】。这些都表明s i c 作为第三代半导体是目前发展最成熟 的宽禁带半导体材料，其优异性能决定了它会在航天、航空、石油勘探、核能及 通信等极端领域发挥重要应用。 表1 3s i c 材料的应用领域 特性器件应用 高温电子器件和集成电路各种高温环境 短波长发光器件( 蓝、绿光)全彩色显示 蓝光激光三被管高密度数据存储 宽带隙 紫外光敏二极管发动机监测、控制 抗辐射器件 核战场、核电、宇航 异质结器件 各种电子系统 高性能功率器件 电子控制系统，节能系统 高击穿场强高压器件电力电子系统 高密度i c 封装各种电子系统 高电子漂移速微波器件相控阵雷达、通讯、广播 度 高速器件军用系统、数据处理 高集成度i c各种电子系统 高热导率 良好热耗散的大功率器件 卫星、航空系统 1 1 4 目前s i c 研究中存在的问题 虽然s i c 器件在近几年的发展突飞猛进，工艺更趋成熟，但应看到有关s i c 第一章绪论 5 材料、器件的研究水平与实际应用还存在较大的差距。未来的发展仍需解决以下 问题。 理论上：i ) c 中的杂质离化能较大，即使在略高于常温的温度下，杂质也不会 完全离化，而杂质的离化程度与器件的电学参数有密切的关系；s i c 中载流子迁移 率的各向异性是明显的，并且各种s i c 多型以及各种s i c 器件中载流子的输运又 有许多特殊性，因此对于准确分析s i c 器件的基本特性，以及对于s i c 器件的设 计和优化来说，都需要一种能够描述其物理机制的更精确的物理模型，而现在对 s i c 的研究一般还都采用着和s i 一样的思路和方法，并且s i c 的一些基本材料参 数的确定还没有一个定论，这势必会给研究结果带来误差。2 ) 虽然s i c 材料具有 非常优越的物理和化学特性，而且s i c 器件和电路也得到了很好的发展，然而， 目前已经制造出的s i c 器件和电路的性能却不像s i c 材料那样优越，这主要是因 为器件和电路的结构中除了半导体层，还有介质层、金属层、钝化层等，每一层 材料的特性以及材料层之间界面特性的好坏也对器件和电路的功能与性能起着关 键性的作用。如何将s i c 材料特性的优势转化为s i c 器件和电路的优势，这是一 个急需解决的问题。 工艺上：1 ) 近几年，在s i c 单晶生长方面，虽然取得了较大进展，如1 3 7 5 英寸( 3 5 m m ) 4 h 、6 h - s i c 衬底微管密度己降至l o o c m - 2 以下，实验室制备出3 英寸 单晶( 微管密度大于等于5 0 0 c m - 2 ) ，己开发出半绝缘单晶等，但仍有些关键性难题 有待突破，这包括如何进一步降低甚至消除微管缺陷，如何降低位错和应力，如 何经济地、大批量生产低缺陷大尺寸( 大于2 英寸) 单晶以降低成本，以及进一 步改善和提高外延层掺杂，厚度均匀性和表面形貌等。2 ) s i c 是一种新型的半导 体材料，其生长工艺、缺陷等都有其独特的性质，这也决定了它的测量也有自身 的特点，其参数的表征不仅是其质量的标志，而且是工艺控制的重要依据。因此 如何正确地测试与表征s i c 材料的性能也是一个亟需解决的问题。3 ) s i c 的一些关 键工艺，如选择性优良的刻蚀方法、氧化、欧姆接触等也有待改进。4 ) 材料问题 一旦解决，必须立即开发制作器件的工艺和方法。例如，s i c 需要甚高温工艺方法 ( 如1 5 0 0 的注入退火) 。最后，必须开发新的封装技术。s i c 具有高热导率，大 功率应用的工作温度将充分体现这一优点。为了挖掘s i c 器件的全部潜力，必须 开发适合于较高功率密度和较高工作温度的封装技术。 1 1 5s i c 双极晶体管的基本结构 从2 0 0 0 年第一个s i c 双极晶体管问世以来，人们用到的结构主要有以下几种： ( 1 ) 该结构( 如图1 3 ) 主要是为设计高频双极晶体管，采用外延生长技术， 64 h - s i cn l m 双极晶体管特性研究 e 图1 3 ( 2 ) 图1 4 的结构是用外延生长成基区，而用离子注入形成发射极，提高电 流增益。但是由于在工艺制作的过程中，离子注入的退火过程杂质( 比如说磷) 扩散减小了基区宽度，使得击穿电压变低。 c 图1 4 ( 3 ) 图1 5 所示的结构本质上与图1 3 的结构并没有区别，但是台阶状的结构 起着与j t e 结构相同的作用，能够增加器件的击穿电压。 ( 4 ) 图l6 所示的结构是目前被研究最多的结构。目前g r c e 公司等的4 h - s i c 双极晶体管多采用这种结构。该结构为大功率晶体管设计，采用外延技术。在结 构中采用了j t e 来提高器件的击穿电压。在基极下用一个重掺杂区域来改善电极 的欧姆接触特性。 随着外延技术以及s i c 工艺水平的成熟，对s i c 双极晶体管的结构研究将越 来越多，在工艺可行的前提下，将采用更复杂更多的结构来改善器件的特性。 第一章绪论 _ i ? n + lb 。h 。一 j 广、 p 尸+ l n 。 n c 图1 5 c 1 i 6 研究s i c 双极晶体管的意义 图1 6 7 c r e e 公司在高温半导体器件方面已制成了可在3 5 0 下工作的哟s f 既，在5 0 0 下工作的m e s f e t ，j f e t ，n p n p 晶闸管，以及在4 0 0 下工作的a y r ，p m o s i c 和n m o s i c 。在功率器件方面制成了阻断电压9 0 0 v ，导通电流2 0 a ( 1 0 0 0 a e m 2 ) 的4 h s i cn l m p 晶闸管。n o r t h r o pc r r u m m a a 研制成了阻断电压1 0 k v - 1 2 k v ，在 1 0 0 开态电阻小于7 4o c m 2 的4 h - s i c 功率u m o s f e t 。在高频器件方面 w e s t i n g h o u s e 制成了0 5 1 u n 栅宽，f 。为4 2 g h z ，r f 增益为5 1 d b ( 2 0 g h z ) 的 4 h s i cm e s f e t 。光电器件方面，c r e e 公司目前己将s i c 蓝光二极管开发为产业， s i c 光电器件月产可达1 0 0 万支，他们采用4 h 和6 h - s i c 研制成功的紫外光探测 器( 2 8 0 n m ) 的最大量子效率已达7 5 。d m i t r i e v 等人成功地在一块6 h - s i c 衬底上 制成了蓝、绿、红三种颜色的发光二极管实现了全色显示功能。 4 h s i cn l m 双极晶体管特性研究 在三端器件中，研究工作主要集中在s i c 功率m o s f e t 和m e s f e t 方面，因其开 关速度较大、安全工作区范围大以及容易驱动等特点。但是s i c ( 特别是4 h s i c ) i d o s f e t 较低的反型层迁移率和栅氧化层可靠性问题，使得这些器件的电流处理能 力比理论值低得多。 目前对s i c 双极晶体管的研究还很少，刚刚起步。双极晶体管与大多数的场 效应晶体管相比，具有更高的载流子调制和处理能力及较低的导通电阻，而且它 是其他双极器件如绝缘型双极晶体管( i g b t ) 、m o s 栅晶体管( m g t ) 、门级可 关断晶闸管( g r i d ) 等的重要组成部分。配合s i c 材料的优越性能，s i c 双极晶体 管具有比s i cm o s 更高的放大能力，以及能够在高压( 击穿电压可以高达数千伏) 下工作，具有大功率、高频( 目前有关研究表明s i c 双极晶体管的截止频率能够 达到7 g h z ) 等优越的特性。此外，由于双极晶体管的体迁移率远大越m o s 管的表 面迁移率，因此双极晶体管具有更高的速度，且s i c 材料具有比s i 更高的饱和电 子漂移速度，使得s i c 双极晶体管在高速、高频方面更有优势。这些特性使得s i c 双极晶体管在航天、航空、石油勘探、核能及通信等领域将发挥重大的作用。 1 2 国内外研究进展 近年来，有关s i cb j t 的研究取得了很大进展。y l u o 等人于2 0 0 0 年研制 出了第一个4 h s i c 功率双极型晶体管，阻断电压8 0 0 v ，集电极电流密度达 1 0 4 a c m 2 。室温下共发射极电流增益9 4 ，并随温度上升而下降 9 】。s e i - h y u n gr y u 等人研制出了阻断电压为1 8 0 0 v 的4 h s i c n p n 双极晶体管，室温下最大电流放大 倍数为2 0 ，导通电阻为1 0 8 q i m 2 ，该器件的电流增益显示出接近零的温度系数 ( n z t c ) 【i o l 。y it a n g 等人报道了口m 为5 0 0 v ，电流增益为8 的外延基区，注 入发射区的4 h s i cb j t ，该样品显示了负温度系数的电流增益1 1 1 1 。i p e r e z w u r f l 等人于2 0 0 3 年研制了高电流密度及高功率密度的4 h s i c 双极晶体管，最大共射 极电流增益为1 7 4 ，具有负温度系数，最大电流密度为4 2 k a c m 2 ，最大直流耗散 功率密度为1 6 7 m w c m 2 【”l 。2 0 0 5 年s u m ik r i s h n a s w a m i 和a n a n ta g a r w a l 等人研 制出了阻断电压为1 0 0 0 v ，输出电压为3 0 a , 电流增益为4 0 的高电流增益b j t ，而 s a n t h o s h b a l a e h a n d r a n 等人研制出了阻断电压为4 0 0 0 k ，电流增益为9 的外延发射 区b j t 。目前在4 h s i cb j t 的频率方面研究的不多，2 0 0 5 年f e n gz h a o 等人研制 出了 k 为7 5 2 g h z 半绝缘衬底的4 h s i cr fb j t 。一 在国内，对4 h s i c b j t 的研究比较少，目前发表的文献比较少，而且还没有 实验数据出现。 目前，国内外对s i c 双极晶体管的研究主要集中在大功率方面。在其发展的 过程中主要的问题有： 第一章绪论 9 ( 1 ) 研究大功率s i c 双极晶体管的方向应该是提高2 j 泓n 的比值，即提高 击穿电压的同时减小开态电阻。r p d 指s p e c i f i co n - r c s i s i t a n c e ( 2 ) 由于s i c 材料本身在室温下不完全离化，载流子寿命短导致了s i c 双极 晶体管的电流增益偏底。 ( 3 ) s i c 双极晶体管的开启电压较大。 ( 4 ) s i c 工艺问题还很多。 1 3 本文主要工作 本文的主要工作是基于国内外已经发表的4 h - s i c 的材料特性数据以及4 h s i c 双极晶体管的实验数据，在二维模拟软件m e d i c i 中建立数值模型，利用软件模拟 研究其特性，为进一步的实验提供理论的指导。 1 首先介绍研究s i c 双极晶体管的意义，以及s i c 双极晶体管的发展过程和 存在的问题。 2 在m e d i c i 中建立4 h s i c 双极晶体管的数值模型，对目前成熟的器件结 构进行模拟，检验模型的准确性及讨论其特性。 3 讨论异质结双极晶体管，并提出几种s i c 异质结双极晶体管结构，用以 改善原有的器件特性。 。 1 04 h s i cn l m 双极晶体管特性研究 第二章4 h - s ic 双极晶体管的建模及特性研究 2 1m e d i c i 简介 m e d i c i 是一个用于模拟半导体器件的功能强大的软件程序。它利用电势与载 流子分布的二维模型，计算出任意偏压下的器件电学特性。 m e d i c i 通过求解相应的偏微分方程组来分析双极器件( 二极管、三极管) ，并 分析了与两种载流子都有关的器件效应( c m 0 s 中的闩锁效应) ，也可以用来分析 单极器件( m o s 、j f e t 、m e s ) ，另外，m e d i c i 可以用来模拟器件的瞬态特性。 为了模拟器件特性，m e d i c 还需要以下参数模型：复合、光产生、注入离化、 禁带宽度变化、带问隧道效应、迁移率、寿命等模型。这些参数模型正确与否决 定着模拟结果的正确性。在计算部分电离时，还要考虑到杂质的不完全电离等因 素。 m e d i c 使用非均匀的三角形模拟网格，能够对平面的、非平面的任意拓扑形状 结构的器件进行模拟仿真。既可以由用户制定方法去划分，又可以由m e d i c i 进行 自动划分。当用户指定某一物理量时( 如电势或杂质浓度) ，m e d i c 可以根据该物理 量的分布对网格进行细分。这使m e d i c 能够更精确、更灵活的对复杂器件进行模 拟。 2 24 h - s i c 双极晶体管数值模型及特性研究 首先建立双极晶体管的数值模型，然后通过模拟来研究器件的各个特性。 2 2 1 双极晶体管的数值模型 采用漂移扩散模型来描述载流子的输运规律，数值模型建立在求解泊松方程和 电子、空穴的电流连续性方程的基础上。在参数模型方面，考虑了碳化硅材料的 具体特点。 漂移一散模型主要由三组方程组成： ( 1 ) 泊松方程( p o i s s o n se q u a t i o n ) 刃2 y = - q ( p 一拧+ 三一j ) 一岛 ( 2 - 1 ) 其中，n 和p 为电子和空穴密度，q 为电子电量，去和j 分别为电离的杂质浓度， 成为表面电荷浓度 ( 2 ) 载流子连续性方程( c o n t i n u i t ye q u a t i o n ) 第二章4 h - s i c 双极晶体管的建模及特性研究 害专豇一玑= 舷卯， ( 2 - 2 ) 鲁= 吉豇一= 舷( 2 - 3 ) 其中，j b 和j p 分别为电子和空穴电流密度，u 和巩分别为电子和空穴的净复合几 率。 ( 3 ) 载流子输运方程( c a r r i e rt r a n s p o r te q u a t i o n ) 以= 嘲，栉勋，( 2 - 4 ) 山= 1 p 勋p ( 2 - 5 ) 其中，以和如分别为电子和空穴的迁移率。 4 h s i c 能带随温度变化模型【1 3 1 为： e s ( t ) ( e v ) 2 e 8 ( 3 0 0 ) 一3 3 “1 0 。( r 一3 0 0 ) 0 - 6 ) 式中t 为晶格温度。e 8 ( 3 0 0 ) 为3 0 0 k 时4 h s i c 的禁带宽度，根据q 公司的报道 取值为3 2 6 e v 。 4 h - s i c 导带和价带的有效状态密度 0 和，分别取为7 6 8 1 0 ”c m 3 和4 7 6 1 0 ”c m - 3 ，根据公式( 2 - 7 ) 得出4 h - s i c 本征载流子浓度珑为2 4 9 x 1 0 - 9 c m 4 ，与c r e e 公司报道的5 1 0 4 c m - 3 相近，因为没有更加准确的数据出现，因此用这个数据代 替。 n t ( c m - 3 ) = ( c p ) “2e x p ( 一嘉) ( 2 - 7 ) 在轻掺杂的发射区中，杂质原子数与半导体原子相比是很少的。这时晶体仍 然可认为具有完整的周期性，导带和价带都有明显的边界，杂质原子只在禁带中 引入分立的杂质能级。当发射区掺杂浓度非常高时，高的掺杂浓度使得半导体的 禁带宽度变窄，这就是禁带变窄效应。禁带变窄对双极器件的电流放大系数有较 大影响，因此考虑带隙窄变是非常必要的，在本文中的带隙窄变模型为： a e g ( t x e v ) = 百v o b g n 【l i l 吖m 而n s j 2 + c 弧删】( 2 - 8 ) 式中取v o b g n = i 0 4 x 1 0 。3 ，n o b g n = 1 o x l o ”，c o n b g n = o 5 考虑了能带窄变效应，则有效本征载流子浓度变为： 刀k = c n ve x p 【_ l ，因此对于发射区掺杂为l x l 0 2 0 删。3 的双极晶体管 的直流电流增益小于发射区掺杂1 1 0 ”册- 3 的双极晶体管。发射区带隙变窄再加 上由于发射区重掺杂而导致发射区复合增加，减小了发射效率，解释了图2 7 中 随着发射区掺杂浓度增大而直流电流增益变小的原因。 从上述分析可以看出，在设计4 h s i c 双极晶体管时，发射区的掺杂浓度是需 要考虑的一个重要因素。它对整个晶体管的直流电流增益有重大的影响。本文中 运用模拟，分析了几种掺杂，认为发射区掺杂1 1 0 ”c m _ 3 是最优的选择。如下图 ( 2 8 ) 。 l c m m 图2 84 h s i cb j t 中较理想的发射区掺杂浓度 2 34 h s i c 双极晶体管的结构及模拟结果 2 3 1 双极晶体管中的3 t e 结构 在双极晶体管中，由于电场在边缘处集中，当电压足够大时，电场强度最大 的地方最早发生击穿。因此整个器件的实际击穿电压小于理想的器件击穿电压。 j t e 指j u n c t i o nt c r m i n a t i o ne x t e n s i o n ，称为结终端扩展技术，它能有效 第二章4 h - s i c 双极晶体管的建模及特性研究 的减小边缘电场集中现象，从而增大晶体管的击穿电压。 如图2 9 所示为双极晶体管中的j t e 结构。 1 _ - 一 i m - - - - _ ，i 一 - - - l i d m n l _ 曩- - 一 z _ l e c 图2 9 双极晶体管中的j t e 结构 1e 重巫 而 ， - 一 d i s t a n c e ，n 图2 1 0j t e 结构与普通结构器件内部电场分布 在图2 1 0 中标出了毫、x ：、薪、x ：、六个点，其中和对应图2 9 中的x 。点，x ：和z ：对应图2 9 中的而点，z ；和x 4 分别对应图2 9 中的黾点和礼点。 其中x ：和善：是没有j t e 结构时的电场峰值点，而i 、工：、囊、四个点是有了j t e 结构后的电场峰值点。由图2 1 0 可以看出，在没有j t e 结构时，在x l 、x ：处电场强 度最大，且比中间区域大很多，因此当集电极电压变的足够大以后，在这两点先 发生击穿。而在器件中使用了j t e 技术后，在图2 9 中四个点处出现了电场强度的 极大值，但是与没有j t e 结构时相比，边缘电场集中现象得到了有效而明显的改善。 从而增大了器件的击穿电压。 在本文中，j t e 结构主要是在集电区用离子注入形成两个高掺杂的p + 区域，从 而达到减小边缘电场集中现象的目的。该结构对器件的影响如下： 电场分布随j t e 的深度的变化，可见随着深度的变大，边缘电场集中现象将会减小。 4 h - s i cn 肿双极晶体管特性研究 从理论上来说，当j t e 的深度变深，应该能更加的减小电场的边缘集中现象，但是 在模拟中发现，当增大深度，不仅仅是在电极的两边电场减小了，在电极中间也 减小了，在图中，深度为o 3 口n 的电极中间电场和不加j t e 的时候基本上一样，而 深度为o 5 a n 时，在电极中间的电场也减小了。 o 口0 5i d 1 52 02 53 m d i s t a m e 图2 1 1 ，i e 区域深度与内部电场分布关系 t h e v “d t ho f j t ei s0 1 p m 争t h e w i d t h o f j t e 培0 5 巾 t h e w i t h o u t j t e t h e w i d t ho f j t e i s02 l i r n d i s t a n c ei i m v 图2 1 2 e 区域宽度与内部电场分布关系 2 ) 图( 2 1 2 ) 所示的是电场分布随着j t e 宽度的变化，电场的分布变化，可以 看到，当宽度小于0 5 j 删的时候，随着宽度的增大，j t e 的影响逐渐变大，减小 7 6 5 4 3 2 ， o b葺-蓦or罄9i o b b 4 2 o 咐toi覃兽。l累vmi搴 第二章4 h - s i c 双极晶体管的建模及特性研究 了电场边缘集中现象，但是在图中，宽度为0 5 ，聊和0 6 ，删的两条线基本上是重 合的，因此作者分析，当宽度达到一定程度的时候，j t e 的宽度将不会再有影响。 所以在本文中，j t e 结构选择宽为0 5 o n ，深度为0 5 o n ，以使j t e 结构起到 最好的作用，在减小电场边缘集中现象，增大击穿电压的同时，减小在实验j t e 结 构的工艺复杂度。其对击穿电压的影响如图2 1 3 2 , 自c l 一 2 诹1 矿 5 0 x l 矿 o o 图2 1 3j t e 结构增大了器件的击穿电压 2 3 2 双极晶体管中的t b s 结构 t b s 结构早期出现硅基平面双极晶体管中1 1 6 ，t b s 双极晶体管是指屏蔽型凹形基 区双极晶体管( t h e t r e n c h b a s e 。s h i e l d e d b i p o l a r t r a n s i s t o r ) ，指在做基区重掺杂时( 为 做基极的欧姆接触) ，把重掺杂区域延伸至集电区。实验表明该结构能显著的改善 晶体管的开态和开关特性。 在运用m e d i c i 模拟中，t b s 结构显示出的优越性有： 1 ) 改善基极输入特性。4 h s i c 双极晶体管的发展过程中，由于s i c 的宽禁带 特点，器件的基极导通电压较大( 约2 8 v ) 。作为电流驱动器件，双极晶体管需要 用尽量小的基极电压驱动尽量高的基极电流。模拟结果表明，相同的基极电压下， t b s 结构双极晶体管具有更高的基极电流，即具有更好的基极输入特性。如图 ( 2 1 4 ) 所示。模拟结果显示，基极下的重掺杂区域越深，其对基极的输入特性 改善越多。如图( 2 1 5 ) 所示。 2 ) 增加击穿电压。模拟结果表明，在使用t b s 结构的双极晶体管中，边缘电 场集中现象得到了一定程度的控制，且使器件中的发射区和基区的界面处电场减 弱，增加了器件的击穿电压。 ” ” 敏 钾 。薯口一 4 h s i cn p n 双极晶体管特性研究 7 o x l 一 8 弧一 8 0 x 1 0 4 7 0 x l a 4 & 0 x l 矿 5 0 i 0 4 辜枷矿 一3 c o c l 矿 z 刚矿 1 0 x l 矿 n o 2345e v 图2 1 4t b s 结构与普通结构对输入特性的影响 01234 56 v 图2 1 5t b s 结构深度对器件输入特性影响 毛， 铲 ” ” ” ：譬 懈 湖 猢 俐 辜一 第二章4 h - s i c 双极晶体管的建模及特性研究 z m 旷 m 矿 & m 一 & 旷 垂一矿 差矿 芒& m 矿 芑 害s m 矿 s m 寸 5 m 矿 5 m 1 矿 图2 1 6t b s 结构与普通结构对器件内部电场分布影响 2 m 0 4 2 0 蝴旷 e1 矿 耄 j 4 m 矿 o2 0 04 0 08 0 0蛳1 0 0 01 2 0 0 v c v 图2 1 7t b s 结构对击穿电压的影响 2 3 3 器件结构及模拟结果 本文所研究的4 h - s i c 双极晶体管的结构如图2 1 8 所示。带n 一外延层的+ 衬 底，外延层厚度为1 5 ，聊，掺杂浓度为4 8 x 1 0 ”册广，其上为宽度为1 ，肋掺杂浓度 茭j 2 x 1 0 1 7 册的基区，重掺杂外基区结深为o 5 # m ，掺杂浓度为l 1 0 1 9 册4 ，基 极条宽5 ，肼。发射区厚度为1 5 p m ，1 1 0 1 9 啪4 ，发射极条宽为l o ，聊。 基极与发射极之间的间距为5 ，硎。j t e 结构为0 5 ，肼x o 5 ，肋的重掺杂区域。 4 h - s i cn p n 双极晶体管特性研究 c o l l e c t o r 图2 1 8 本文所用到的器件结构 利用上文中在m e d i c i 中建立的数值模型对以上结构进行模拟，得出其特性为 击穿电压b 阳大约1 0 0 0 v ，共射极直流电流增益大约为4 6 ，该数据和文献m 1 2 酗矿 2 m o 1 n a o * 一，1 m 矿 图2 1 94 h s i c 双极晶体管电流增益 o 2 0 0 枷o哪! o o o1 锄 v o v 图2 2 04 h - s i c 双极晶体管击穿特性曲线 第二章4 h s i c 双极晶体管的建模及特性研究 中报道的实验数据符合的较好( b = 1 0 0 0 v ，p = 4 0 ) 。如图( 2 1 9 ) 和图( 2 2 0 ) 以上模拟得出的结果与实验结果略有差别，这是因为目前s i c 的制造工艺还 有很多的问题，如衬底缺陷多、欧姆接触的比接触电阻较大等等。要建立更加准 确的4 h - s i c 双极晶体管的数值模型，需要更多的准确的实验数据 和工艺条件的支持。 2 4 本章小结 本章在二维模拟软件m e d i c i 中建立4 h - s i c 双极晶体管的数值模型，并在此基 础上4 h s i c 双极晶体管的特性进行了研究，包括对其击穿特性的机理、对直流电 流增益的影响因素以及器件的两种结构对器件特性的改善等。最后选用一种已发 表的具有实验数据的器件结构进行模拟验证，说明了该数值模型的可靠性。 运用模拟软件，通过对器件特性的研究，以及在该方面已有的工作，本文也发 现了4 h s i c 双极晶体管目前存在的一些问题。 1 ) 基极输入特性较差，开启电压大。 2 ) 直流电流增益较小 3 ) 国内在实验方面还存在很多的问题。如工艺条件落后、s i c 衬底和外延质 量较差等。 通过对特性方面的研究，本文也提出了几个改善的方法： 1 ) t b s 结构和j t e 结构的混合使用。目前因为工艺条件方面的原因，还不 能确定t b s 结构中的基区重掺杂能够注入多深，但是模拟显示，在实验中应该尽 可能的深，有利于改善基极输入特性，也能对边缘电场集中现象进行一些改善。 2 ) 采用新的工艺，如电极采用双层金属，以及提高欧姆接触工作水平，减小 电极的电阻，提高基极驱动能力。 3 ) 改变器件的结构，如采用异质结来改善器件的性能，可以获得更高的直流 电流增益，以及可以在工艺上更好的实现。 4 h - s i cn p n 双极晶体管特性研究 第三章异质结双极晶体管 1 9 5 1 年，s e h o l d e y 提出了宽禁带材料作为晶体管发射结的理论。1 9 5 7 年， h k r o e m e r 系统叙述了若发射区材料的禁带宽度大于基区的禁带宽度，可获得很高 的注入比。1 9 7 2 年，d l j m k e 利用液相外延方法首先制成了a i g a a s g a a s 异质结双 极晶体管。随着分子束外延( m b e ) 技术的出现和发展，1 9 7 8 年b e l l 实验室利用 m b e 获得了调制掺杂a i g a a s g a a s 异质结构。在此之后，1 9 8 0 年用m b e 方法制 成了a 1 g a a s g a a s 异质结双极晶体管。今年来，人们利用能带工程又得到了不同 材料结构的异质结双极晶体管。 从同质的硅双极晶体管发展到异质结双极晶体管，在设计上发生了根本变革， 人们从掺杂工程设计进入到能带工程设计，调整了发射区和基区的掺杂浓度，从 而降低了发射结电容和基区电阻，提高了增益。异质结双极晶体管( h b n 的电流增 益截止频率疗高，驱动能力强，适合于高速电路。它的相位噪声低，功率密度大， 在低噪声大功率方面将发挥其特长。 3 1 1 异质结 3 1 异质结双极晶体管理论 由两种不同的半导体单晶材料组成的结，称为异质结。根据形成异质结的两 种半导体单晶材料的导电类型，异质结又分为两类：异型异质结和同型异质结。 因为在本文中要用于双极晶体管中的是n - p 异型异质结，所以在这里讨论w p 异型