（微电子学与固体电子学专业论文）高热稳定性的功率gesi+hbt的设计和研制.pdf

摘要 摘要 随着g c s il 噩m 越来越广泛的应用于射频微波通信、卫星通信和功率放大 器等领域，如何在高频、大功率应用的前提下，提高g e s i 船t 的热稳定性， 威为人们需要研究的一个重要问题。 为了提高g e s i 玎的功率，通常采用发射极条长和条间距均匀分布的多 发射极条( 指) 并联的结构。然而由于自热和条间的热耦合效应，靠近中间条 上的温度往往高于两边条上的温度。发射极条上的温度不均匀，一方面限制了 g e s i 闭玎的功率处理能力；另一方面，使器件变得热不稳定，容易出现热烧毁， 导致器件失效。 通过求解热传导方程，研究了使g e s ih b t 发射极条上的温度分布变得更 均匀的设计方法。通过计算机模拟，我们发现，非均匀条长、非均匀条间距和 非均匀发射极镇流电阻设计都可以有效地改善器件温度均匀性，降低器件的最 高结温。同时，我们还发现，在温度分布均匀性改善方面，a 当发射极条长分布、 条间距分布和发射极镇流电阻分布按二次函数式取值时比一次函数式取值更有 效，指数函数式取值比二次函数式取值更有效。 利用模拟得到的优化设计方案，按照工艺条件的限制，我们对器件的结构 参数进行了设计，分别绘制出了条长、条间距非均匀分布和加镇流电阻的多种 g e s ih b t s 的版图，并开发出g e s i 船t 的工艺步骤，成功用于器件制造，验证 了版图设计和工艺流程的正确性。 对制作好的g e s i 皿t ，我们首先对它们的直流特性进行了测试。主要测试 了输出特性曲线、g i 砌e l 曲线、b h f e 曲线及部分结特性曲线，得到了一些直 流参数和极限参数。器件的开启电压、反向电流、电流放大系数、击穿电压、 最大集电极工作电流等参数都比较令人满意。发射极线电流密度达到 1 0 6 - 1 8 7 从m ，远高于s ib 盯的线电流密度。这对器件的功率特性是非常有利 的。 最后，我们对几组器件进行了表面温度分布的测试与对比。采用非均匀条 长和非均匀条间距设计的器件，表面温度更加均匀，最高结温也大幅度下降。 采用均匀发射极镇流电阻的结构，虽然器件的整体温度下降，但最高温仍出现 在中心指上，且温度分布仍不均匀。这些结果与模拟结果比较吻合。 关键词：锗硅异质结双极型晶体管( g e s i 玎3 t ) ，自热效应，热耦合效应，热 稳定性 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h eg e s i 邶t sa 化、= v i d e l ya p p l i e d 证r a d i o 姻u e n c y ( r f ) a n dm i c r 明撇 c c 问邱衄i 谢o n 鼢t d l i t cc 0 匝m u n i 碰a n dp d w 玎锄p l i f i 哪，h o wt oi m p m v e1 h e t h e m l a ls t a b i l 蚵o f g e s i 邮t su n d et h ec d i t i o no f i “曲脚n c y 锄dh i 曲p o w 盯 蛐缸吣t p r o b l 锄f o r 鹏t os t u d y i i lo r d e rt og a i l lh i 曲p o w t 量嵋0 e s ih b t su s i l a l l y 伽叩l o ym u m p l ee 商t t 盯 丘n g e 璐、i t hu n i f o 皿f i n g e 略l 锄g i h 锄du n i f o mf h l g c 墙s p a c i l 唱h o w e v e f ，b e c a l l o f l f h e a t i i l g 柚dt b 盯m a lc o i l p l i n g 锄讲培t h e 血g e 璐，l h et e ：m 辨瑚t u o nc e n 蛔 f i n g 哪i sl l i g h 盯t l l a nt l l a t o l i h n o s tf i n g 哪t h e n 血f 0 1 1 i l j 晦o f t e l r 畔哪u r c 衄 f m g e r sn o t0 1 1 1 yl i l i i i t st h ep o w 盯h 卸d l i n gc a p a b i l i 坝b u ta l s om a k 也ed c 、，i c c u n s t a b l e ：卸dl c a d st od e v i c eb 叫舯u ta n df 砧l u l t h em e t h o d sf o ri m p m v i n gn o n 一曲肋t e m p e 甩t u r cp r o f i l eo n 锄i t t e rf o n g e 馏 a i es 叫i e db y l v m gl l e a tn o wo q u a t i o 也t h es 皿l n 妇l 阳s u l t ss l m wm a tn l c n l i f o 哪t e m p e 栩t i l r cp m f i k 锄b ei m p v e db yn o n - u n i f o m 丘i l g c rl e n g t h d 船i g n ，n o m o mf i n g c rs p i n gd e s i g n 锄d 咖一狐f 咖le i i l i t t i ：r - b a l l a s t i n g 瑚i s 瞬d e s i g 也m e 锄w l i i l e ，i t ，sa l f o 吼dt l l 越t h ed 昭啪o fi i n p r o v 锄舶to f t c ：m p c 鞠n l r cn o l f o 珊p r o 衄ei sd i 丘毫r e n tw h e n 也ef m g c rl e l l g i h 鼯，f m g 盯s p i n g 卸d 锄i t b e r - b d l a s t i n gi e s i s c o 搭a 托c 衄g e d 谳d i 任b r e n tf o m m i 勰：l i n e 缸，弘晒b o l i c ， 勰de x p o 玳= n _ 妇1 t h e 详l r 刁曲o h cv 撕a l i o na 艄a c hi sk 舭盯m 蚰l i n e a rw 晡a 妇 a p p r o a c h ，缸dt h c 叩n 枷a lv a r i a t i o n 印伊o a c hi sk 魁e rm a np 乏i r a _ b o l i c 训a t i 蛆 a l p r 0 锄m a c c o r ；d i n gt 0t h es i 埘叫撕o nr t l l t s 锄dt h ep i 仪髂sc o n m t i o 玛l h e 删c a la n d 1 砒e 础s t n l 咖鹏撇d c s i 鲫，m c m s k s f o r g e s i 咖t s 谳f i n g 盯l g t l l 伽岫n ， i i m g e rs p 嚼函gv a r i 撕o n 越dc l i t t e r - b a l l 勰t i n g 璐i s t o ra 地d e s i 印e 正t h ep r o c e 蟠 n o wt 0 自b r i c a t eg e s i 耶t si sd c v c l o p e d ，觚dt h e 伊o 鹳f l o wa n dm 嬲l 【sd e s i 驴 勰印删t 0b c 砌i d b y c x p 嘶m e n t a l 托s l l l t s n 他d cc k 眦- c t e r i s t i c so ft h e 胁r i c a t o dg e s ih b l 奢a 始t c s t o 正t h em s i l r e d d cc k m 北_ t e r i g t i c si n c i u d ei vo t p i i tc k 烈：t c d s 吐c s ，i c h 陀c h m 郅c t e f i s t i c s 锄dp n j 1 1 功吐i o nc h 越i c 蜘s t i c s 1 k 赋姻聃m e n t 瞄l l l t s h o wt l 圮咖- v o h a g eo fp n j 删o i l ，删卿m 砒i o nc i l 玳m ，c i l r r e n tg a i n ，b 瞅i k d o w nv o l t a g e 觚d 珊嘣皿蛆 c o l l e nc l l 黝哇缸eg o o d ，n l e 锄m e rc i l r r e md e 璐玲r e a c h 鼯1 0 6 一1 8 7 c m ，w h i c h i s 船h i 如t b a n t l l a t i n s i b j t 嘶sb a s 慨f i t t o p 叭袱h 锄d l i n g c a p a b i l 咄 f i n a l l y t h c 鲫哟i c et e 唧p c 翰t u r em 朗s u r e m e mo fs c v e r a lg r o u p so fg e s ih b ，r s - m 北京工业大学工学硕士学位论文 i sp e r f o 加e da n dt h ec o m 脚s o ni sm a d e 1 ks l l r 丘w et 咖p e f a t i l r ep r o f i l e so f g e s i 册t s 淅t hn o n m 渤衄矗n g e rl e n g i l la n dn o n - u n i f o nf i n g e rs p a a h 培a r e 蹦d y u n i f o 衄f o rg e s ih b t s 谢m 啪i t t e rb a l l a s 血gr 锚i s t 0 峨a l 血o i l g hn 坞w h o kd c = 、，i c e s u 如c et e m p e 珊眦d e c 玎e a s ，配t 锄p c r a ：t i l o fd ”c e n t e rl l i 唱c ri ss t i l ll l i g h c 鸡 锄dt h et e m p c r a t l l r ep r o f i l ea c o s st h ew b o l ed e v i c e 舢a i l ln o m m i f o 彻t h e 删l 乜 a r ec o n s i s 龇w i t l lm es i m u i a ：t i o n 陀s u l t s k e yw o r d s ：g e s ii i b t l m c 妇g ；雠咖a lc o u p l i n g ；m e 咖a ls t d b i l i t y i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师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的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业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。 签名：纽塞霆日期：塑z ：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垂邑t 呈一一导师签名；季博日期：虬 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 近年来，随着微波半导体技术在无线通讯和自动监测等领域的广泛应用，人 们对小体积、大功率、高频率、低成本设备的要求越来越高，促使器件设计人员 不断的探索和开发出各种新型的材料和器件。 传统的s ib j l r ( 双极结型晶体管) ，工艺成熟，成本低廉，可靠性高，占有 双极型器件领域绝大部分的市场。然而由于其电流增益取决于发射区与基区掺杂 浓度之比，为了实现较高的电流增益，需要牺牲其频率特性。这使得s i 基器件 越来越不能适应高频领域的应用。 以g a a s 为代表的i i i v 族器件，由于其材料的电子和空穴的迁移率高( 3 0 0 k 时的电子迁移率，s i 为1 4 0 0 c m w s ，g a a s 为8 5 0 0 咖2 ，、r s ) ，高频特性好，曾一 度主导高频功率器件的市场。然而，g a a s 单晶的制备工艺复杂，成本昂贵；晶 片尺寸小，机械强度低，容易破碎：热导率低，散热性能差；缺乏象s i 0 2 那样 的钝化层；污染严重；与成熟的s i 工艺不能兼容。 g e s i 珊玎( 异质结双极型晶体管) 的出现很好的解决了这个问题。它能与 成熟的s i 工艺相兼容，工艺简单，成本低；有较好的频率特性，功率特性和热 特性。由于这些显著的优点，越来越多的受到人们的关注，广泛应用于射频通信 前端，卫星通信和微波通信等领域。 早在1 9 5 1 年w s c h o c l ( 1 e y 就提出异质结的概念。1 9 5 7 年h k r o 锄e r 则更为 系统地阐述了其原理【”。认为，如果发射区的禁带宽度比基区的宽，会使晶体管 的注入效率提高。第一只咖t 是基于g a a s 材料的。由于工艺条件的限制，直 到1 9 8 7 年，第一只g e s im t 才被制造出来圜 图1 1g e s i m t 的能带示意图 f 晷1 1e i l e f 斟b a i i d h 曲l a t i ci l l u s t 掰d o f g e s i 皿t l 北京工业大学工学硕士学位论文 g e s i 瑚玎的集电区和发射区使用s i 材料，而基区使用g e s i 的合金材料。 由于g 它和s i 的禁带宽度不同，在3 0 0 k 下，g e 的禁带宽度大约为o 6 6 c v ，s i 的禁带宽度大约为1 1 2 e v ，g e s i 合金的禁带宽度介于两者之间。由于基区的g e s i 层和发射区的s i 层禁带宽度不同，形成p n 结时，会形成不连续的能带。而这种 不连续，在价带表现的要比导带明显的多。g e s i 聊的能带示意图如图1 1 所 示。 容易看出，从基区注入到发射区的空穴需要越过的势垒远高于从发射区注入 到基区的电子需要越过的势垒。从发射区向基区注入的电子电流j 。和从基区向 发射区注入的空穴电流j p b 满足如下关系： fv 粤o c 挚e 啾啤灯) ( 1 1 ) jp bn 舳 式中n m 为发射区的掺杂浓度，n b 为基区的掺杂浓度，e g 为b e 异质结 的禁带宽度差。即发射结的注入比与掺杂浓度比呈正比例关系，而与禁带宽度差 呈指数关系，所以禁带宽度差对注入比的影响要远远大于掺杂浓度比对其的影 响。于是，改变s i 和g e 的比例，调节e g 的大小，就可以方便的改变注入比。 s i 和g e 的晶格常数分别为0 5 4 3 衄和o 5 6 6 衄，有4 2 的晶格失配率。要 想使合金的位错密度满足需要，通常g e 占合金的3 0 以内【3 】。对于g 9 $ i l 。结构， 禁带宽度由下式决定： e ( 曲= 1 1 7 0 9 缸+ 0 4 3 一o 1 7 ，( 1 - 2 ) 在传统的s ib j t 中，电流注入比决定于掺杂浓度比，要想获得足够大的电 流增益，发射区的掺杂浓度必须要远大于基区掺杂浓度，这样做，使基区电阻很 大，影响器件的频率和噪声性能。而g e s i 玎玎可以通过能带工程获得大的电流 增益，将基区掺杂浓度做的较大，而将基区宽度做的更小，减小基区电阻，同时， g e s i 层的电子迁移率高于s i 的电子迁移率，从而获得更好的频率和噪声特性。 相对于g a a sh b t ，g e s i 册t 也有其明显的优势：更低的材料成本，更好 的热特性，更好的机械性能，与成熟的s i 工艺相兼容，工艺成本低。 由于g e s ih b t 优良的频率和功率特性，目前已广泛应用于射频通信前端 ( 1 g h z 3 0 g h z ) ，主要包括手机( 2 5 g 3 g ) 和无绳电话( d e c t ) 、m e e 8 0 2 1 l x 、 蓝牙( u w b 、z i g b e e 、h o m e r f ) 、光通信( s o 卜f e l s d h ) 、g p s 、硬盘和光驱通 道高速读取放大器以及电视调谐器等，另外也可应用于卫星通信和微波通信等领 域。 随着半导体器件尺寸的不断缩小和电流密度的不断增加，随现行s o i ( 绝缘 层衬底) 技术的不断采用，介质在器件隔离技术中的不断应用，小的器件尺寸和 低的介质热导率，都使得热阻不断增加，由器件与电路本身产生的耗散功率而引 第1 章绪论 起的自加热和子器件之间热耦合效应对器件的影响越来越显著，越来越引起人们 的特别关注1 4 l 。 卸3 t 功率应用时，高功率特性通常受到器件本身内部自加热效应的限制， 使耶t 实际性能低于它的电学限制性能。自加热效应退化了器件工作特性( 如 电流增益，功率增益，特征频率仃等) ，引起器件和电路特性漂移，也可能导致 器件和电路热烧毁i 习。 在单发射极中，由于产生的热不能快速传输到外界而引起晶格温度的增加， 导致自加热效应。功率晶体管通常采用多指发射极阵列或点阵列结构，采用并联 方式，这样的设计可以改善电流处理能力和散热能力，减少沿发射极条长方向的 信号异相延迟时间。然而，每一个条上的自热效应和条问的热耦合，使热分布不 均衡，中心条的温度较外部条的高。又因为发射极电流有正温度系数( 热电正反 馈) ，中心指将传导更多的电流，结果产生更多的热，最终产生局部热斑，可能 导致器件永久损坏。自热和热耦合使h b t 在高功率下晶体管变得不稳定，严重 限制晶体管的功率处理能力。当热不稳定发生时，s ib j t 通常发生热烧毁或热奔， g a a s 船t 发生电流急聚下降现象嘲。 为了削弱多指玎的热不稳定效应，常常采用发射极镇流电阻( 每指上串 有镇流电阻，这些电阻可能是晶体管的一部分( 外延生成) 或外部加的薄膜电阻 【7 j ，这些电阻上的压降补偿了由于自热引起温度上升而导致的内建电压的变化， 即负反馈) ，基极镇流电阻嗍，非等宽的发射极条结构f 1 ，非均匀的条长结构和非 均匀的条间距等技术唧。采用发射极镇流电阻方法，镇流电阻值需优化，值太大， 由于增加了通过它的额外延迟时间，退化了册t 高频特性：值太小，不足以使 玎玎免于热不稳定。由于热产生的非均匀性，人们认识到均匀的镇流电阻设计 不是最理想的，应该用菲等值镇流电阻设计【l o l ，闯题是：各个发射极条上镇流电 阻的优化分布到底是什么样的? 与镇流电阻技术比，非均匀的条长、条间距方法 在较宽偏置范围内提供了较好的温度分布，而对器件速度负面影响不大。优化的 非均匀的条长、条间距如何设计，是一个要解决的问题，不合理的非均匀条长、 条间距反而使问题变得更糟。 加镇流电阻是防止自热效应的行之有效的简单易行的方法，现代微波功率 瑚玎仍然还普遍采用着【l l 】。我们知道，加镇流电阻将退化输出功率、功率增益、 功率附加效率( p a e ) 、饱和压降【1 2 l 。如果功率疆能不加( 或少加) 镇流电阻， 那么它将有潜力提供更大输出功率，功率增益，功率附加效率。 在本实验室之前的研究工作【l 4 】中发现，g e s i 曲t 在共射大功率下，随v 的增加，集电极电流下降，出现负阻特性，这说明器件具有热电负反馈能力，可 以减少对镇流电阻的需要；在大电流下发生基区扩展后，集电结的异质结势垒效 应，将使b 急剧下降，迸一步证明g e s i h b t 具有一定的热电负反馈能力。在张 北京工业大学工学硕士学位论文 进书等【1 5 】所报道的g e s ih b t 中，t 1 6 0 k 时，8 随t 的增加而下降，他们认为突变结g e s 嘏ih b t 本身具有 减少电流分布不均匀( 即改善热不稳定性) 的能力，可以不加镇流电阻。o s 猢 h i d a k a 等人【1 6 】的实验结果表明g e s ih b t 的热稳定性大大优于s ib j t ，建议可以 减少加入的镇流电阻值。 。 在本实验室的研究中发现，突变结皿t 自身确有热电负反馈的能力：在同 时存在发射极和基极镇流电阻时，热稳定因子s ( 热电反馈网络增益因子) 为l ”j ： s ：等等等：如等：! 鬈垂塾心拓。固 s = 鲁器篆2 如等= ! 丢瑟警心拓t 固 其中p 为耗散功率，多= 句吃a r o ，e v 为发射结( c b 结) 价带不连续 性能量差，e g 为重掺杂导致的禁带宽度变窄，r 出，r b ，r e 分别为热阻、基极 与发射极镇流电阻( 包括接触电阻) ，t 和t 0 分别是结温和环境温度，i d b 为空穴 从基区反向注入发射区的空穴电流。s o 表现为正反馈，s 1 发生热奔，s l ，为g e s 潞i 扩散系数比 尹牙表示关于位置的平均值 z ( x ) 讥。z 等产廓。高等瞒位瞅舰本征 占k ( d ，为基区少子扩散系数 ，为基区本征载流子浓度 r f “瞄，为基区重掺杂带隙变窄 6 e g - 侥；厶e g g 舻帅) 一e g g 啦哪，为基区带隙变化梯度 等。譬 = 器鲁糍侧r ， p q1 c n 暨n b w b d 口e 1 b l 。 、? 注意到集电极电流j c 和直流电流放大倍数b 是6 e 岛g c 的线性函数，是聪g 删 丑p z 鲫= 5 3 4 历3 胁”5 ( 3 甸 3 2 2 交流参数 1 ) 截止频率f r 发射极到收集极的总渡越时问k 可写作： k = 去= 南+ ( q + g + ) + 丢+ 詈+ 等+ b 气