（物理电子学专业论文）inp基hbt的理论研究以及光接收机前端单片集成器件的制备.pdf

北京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 i n p 基h b t 的理论研究以及 光接收机前端单片集成器件的制备 摘要 本论文的工作是围绕任晓敏教授承担的教育部高等学校博士学 科点专项科研基金“基于r c e 光探测器和h b t 的单片集成( o e i c ) 高速光接收模块”( 项目编号：2 0 0 2 0 0 1 3 0 1 0 ) 、任晓敏教授为首席 科学家的国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 项目“新一代通信 光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”( 项目编号： 2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 0 ) 等项目展开的。 i n p 基异质结双极晶体管( h b t ) 在光纤通信等领域具有极其广 阔的应用前景，并且可以与光电探测器等光器件单片集成，因而深入 系统地研究i n p 基h b t 器件具有极其重要的意义。 本论文的工作主要是围绕着t n p 基h b t 器件的理论研究、实验 制各及其与p i n 光电探测器的单片集成而展开的。现将本论文所包含 的研究成果总结如下： ( 1 ) 系统地研究并总结了h b t 理论模型中常见物理量的计算， 并结合已有文献资料总结出了i n p 与i n o5 3 g a o4 7 a s 材料的迁移率公 式，这对i n p 基h b t 的各种理论仿真计算有着重要的作用： ( 2 ) 研究了在大电流密度下发生k i r k 效应时对i n p 基h b t 直 流特性和高频特性的影响，得出k i r k 效应的发生会导致i n p 基h b t 的直流增益和高频特性均变差。与此同时，研究了在发生k i r k 效应 后，在b c 结b 区侧产生的零电场区域厚度壕对、与厶。的影响， 并得出墨相对于款来说是不可忽略的，这对于基区厚度很薄而c 区 又很厚的情况时，在 的计算中，j 。所占的权重将会变得更加重要； ( 3 ) 研究了i n p 基h b t 的基区在非均匀掺杂情况下对其各性能 参数的影响。首先研究了非均匀掺杂时在基区的内建场分布情况，并 得出，在对基区进行非均匀掺杂时所产生的加速电场与减速电场当 中，减速电场的场强大小相对加速电场来说是不可以忽略的。其次， 研究了基区不同的掺杂曲线对、z 、五。的影响，并得出，非均匀 掺杂对i n p i n o ，5 3 g a o 4 7 a sh b t 的性能参数五的改善不是特别大。最后 研究了由于掺杂工艺误差对、小厶。的影响，并得出在= 0 6 4 v 、 i i i 北京邮电大学颀j ：研究生学位论文摘要 搿= 2 7 8 、2 = 0 3 8 时，5 的掺杂工艺偏差给工带来的波动仅为1 左 右： ( 4 ) 参与了i n p 基h b t 、p i n p d 、光接收机前端单片o e i c 三 种器件的制备。经过测试得出：对于2 1 x m 尺寸型号的i n p 基h b t 器 件，其电流增益截止频率，；，为2 8 g h z ；对于入光面为2 2 x 2 2 # m 2 尺寸 型号的p i n - - p d 器件，其高频响应带宽为1 6 g h z ；对于由以上两者 组成的光接收机前端单片o e i c 器件，其高频响应带宽为3 g h z 。 关键词；异质结双极晶体管( 瑕t )基区非均匀掺杂迁移率 硒r k 效应光电探测器( p d )光电集成电路( o e i c ) i v 北京邮电大学硕：研究生学位论文 t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho ni n p b a s e dh b t a n dt h ef a b r i c a t i o no fm o n o l i t h l co e i co f p h o t o r e c e i v e r sl r o n te n d a b s t r a c t t h er e s e a r c hw o r k sd e s c r i b e di nt h i sp a p e rw e r es u p p o r t e db yt h eg r a n t sf r o m m a n yr e s e a r c hp r o j e c t s ，i n c l u d i n gd o c t o r a ls u b j e c t sr e s e a r c hg r a n t so fm i n i s t r yo f e d u c a t i o n ，p r c ，m o n o l i t h i co e i cp h o t o r e c e i v e rm o d u l e sb a s e do nr c e p h o t o d e t e c t o r sa n dh b t ( 2 0 0 2 0 0 1 3 0 1 0 ) a n dn a t i o n a lb a s i cr e s e a r c hp r o g r a mo f c h i n a ，“b a s i cr e s e a r c ho ni n t e g r a t e do p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sa n dm i c r o s t r u c t u r e o p t i c a lf i b e r sw i t hs t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g yi n n o v a t i o n sf o rf u t u r ea d v a n c e d o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ”( 2 0 0 3 c b 31 4 9 0 0 ) i n p - b a s e dh b th a v em a n ya t t r a c t i o n si nt h ef i e l do ff i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o n , a n dt h e yc a ni n t e g r a t ew i t l lp h o t o d e t e c t o r sw i t hs h a r e de p i t a x i a ll a y e r so nas i n g l e s u b s t r a t e , w h i c hh a v et h ea d v a n t a g e so fo n e - s t e pe p i t a x y ，s i m p l i c i t yo ff a b r i c a t i o n , a n dp o s s i b l yh i g h e rr e l i a b i l i t y a so n ek i n do fp r o m i s i n gd e v i c e sf o rh i g h s p e e d a p p l i c a t i o n ，t h er e s e a r c ho ni n p b a s e dh b th a sb r i g h tf u t u r ea n ds oa t t r a c t sm u c h a t t e n t i o ni nt h ew o r l d ， n l i sp a p e rs t u d i e dt h et h e o r ya n de x p e r i m e n t a lf a b r i c a t i o no fi n p - b a s e dh b t , a n di t sm o n o l i t h i ci n t e g r a t i o nw i t hp i n - p h o t o d e t e c t o r i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rh a s o b t a i n e dt h er e s u l t sa st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e da n ds u m m a r i z e dt h ep h y s i c a lp a r a m e t e r su s u a l l yu s e d i nt h et h e o r e t i c a lm o d e lo fh b to b t a i n e dt h ef o r m u l a so fm o b i l i t i e so fi n pa n d i n o5 3 g a 0 4 7 a ss e m i c o n d u c tm a t e r i a l sb a s e do nt h er e l e a s e dr e f e r e n c e s ，w h i c ht a k e s a l l i m p o r t a n tr o l ei nt h et h e o r e t i c a ls i m u l a t i o n so f l n p b a s e dh b t ； ( 2 ) s t u d i e dt h ei n f l u e n c e so fi n p b a s e dh b t sd i r e c t c u r r e n ta n dh i 曲一f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c sa f t e ri ( j r ke f f e c te m e r g e su n d e rl a r g ec u r r e n td e n s i t y a n do b t a i n e dt h e r e s u l tt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb o t hi n p b a s e dh b t sd i r e c tc u r r e n ta n dh i g h f r e q u e n c yw i l ld e t e r i o r a t ea f t e rk i r ke f f e c th a p p e n e d a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e r a l s os t u d i e dt h ei n f l u e n c e so f ，f ta n d 厶“w i t hx sw h i c hi st h ed i s t a n c eo f v 北京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t r a c t z e r o - e l e c t r i cf i e l di nt h ed e p l e t i o nl a y e ro fb a s e c o l l e c t o rj u n c t i o n , a n do b t a i n e dt h e c o n c l u s i o nt h a tt h ed i s t a n c eo fx s i su n i g n o r a b l ec o m p a r e dw i t hx le s p e c i a l l yi n t h ec a s eo f b a s et h i c k n e s si sv e r yt h i na n dc o l l e c t o ri sv e r yt h i c k ； ( 3 ) s t u d i e dt h ei n f l u e n c e so fi n p - b a s e dh b t sc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sw i t ht h e c a s et h a tt h eb a s ei su n u n i f o r m l yd o p e d a tf i r s t t h ea u t h o rs t u d i e dt h em e c h a n i s m a n dc o m p o s i t i o no fi n n e rb u i l d i ne l e c t r i c f i e l di nt h eb a s e ，a n dg o tt h ec o n c l u s i o n t h a tt h ed e c e l e r a t i n ge l e c t r i cf i e l do f p i n 0 ，5 3 g a o 4 7 a ss e m i c o n d u c tm a t e r i a lr e s u l t e di n b a n dg a pn a r r o w i n ge f f e c tw h i c hl e db yg r a d e db a s e d o p i n gi su n i g n o r a b l e c o m p a r e dw i t ht h ea c c e l e r a t i n ge l e c t r i cf i e l d s e c o n d l y , s t u d i e dt h ei n f l u e n c e so f r b ， 炙a n d w i t hd i f f e r e n td o p i n gc u r v e so ft h eb a s e ，a n dg o tt h ec o n c l u s i o nt h a ti t h a sn o tv e r yd i s t i n c ti m p r o v e m e n tt ot h ep a r a m e t e ro fzo fi n p i n 05 3 g a o4 7 a sh b t t h i r d l y , s t u d i e dt h ei n f l u e n c e so f t h ，矗a n d 丘w i t hd o p i n gd e v i a t i o nt ot h e a s s u m e dd o p i n gc u r v e ，a n do b t a i n e dt h er e s u l tt h a tt h ei n f l u e n c eo fd o p i n gd e v i a t i o n t ot h ed e v i m i o no f 再i sv e r ys m a l l f o ri n s t a n c e ，u n d e rt h ec o n d i t i o n so f - o 6 4 ， 口= 2 ，7 8a n da = o 3 8 ，5 o f d o p i n g d e v i a t i o n l e a d s o n l y1 o f d e v i a t i o n t o 再； ( 4 ) t h ea u t h o rp a r t i c i p a t e di nt h ef a b r i c a t i o n so fl n p b a s e dh b t ，p i n p da n dt h e m o n o l i t h i co e i cp h o t o r e c e i v e r t h et e s t i n gr e s u l t so ft h e s ed e v i c e sd e s c r i b e da st h e f o l l o w i n g ：a st ot h e2pms i z es t y l eo fi n p b a s e dh b t ，t h ep a r a m e t e ro f 二w a s 2 8 g h z ；a st ot h ep i n p do f2 2 2 2 a m 2i n c i d e n c ea r e a ，t h er e s p o n d i n gb a n do fh i g h f r e q u e n c yw a s1 6 g h z ；a st ot h em o n o l i t h i co e i cp h o t o r e c e i v e rb a s e do nt h ea b o v e s t y l e so fp i n - p da n di n p b a s e dh b t , t h er e s p o n d i n gb a n do fh i g hf r e q u e n c yw a s 3 g h z k e y w o r d s ：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 ( h b t ) g r a d e db a s ed o p i n gm o b i l i t y k i r ke f f e c t p h o t o d e t e c t o r m o n o l i t h i co e i cp h o t o r e e e i v e r v i 北京邮电大学硕士研究生学位论文声明 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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： 殳系您同期：主幽：三：丛 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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问论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 同期：2 趔1 主：丝 r 期： 2 d q l ! 。堕 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章舳t 器件概述 第一章h b t 器件概述 异质结双极晶体管( 耶t ) 作为一种结构独特的晶体管从七十年代出现以来， 其发展的速度就在不断地加快，其对现代生活所带来的影响也越加明显。h b t 所具有的高频特性以及良好的电流注入比等优越性使得其一出现就倍受人们的 关注。随着材料生长技术和器件制作工艺技术的不断成熟和发展，h b t 的性能 也不断地得以提高，其已在卫星通信、移动通信、光纤通信、国防电子系统等通 信领域当中具有非常广阔的应用。目前高频、大功率、高功率附加效率( 队e ) 的h b t 产品已经形成了一定规模的产业市场。 h b t 在目前的光纤通信系统中的作用也越加明显。随着以高速、大容量、长 距离传输为特征的光纤通信技术的同益发展，系统对电路性能的要求越来越高。 h b t 凭借着在高频与线性特性等方面的优越性能，成为了当今光纤通信系统当 中的一个重要支柱力量。 1 1h b t 发展概况 自从上世纪四十年代第一只晶体管的出现，就标志着电子学新时代的来临， 随后集成电路的出现加速了微电子学的发展。双极型晶体管作为传统的半导体器 件在微电子领域尤其是在高速器件和电路方面起着非常重要的作用。但双极型晶 体管( b j t ) 在微电子领域中的统治地位自m o s f e t 技术出现后，受到较大的 影响，不过也只是短短的二十多年。自进入8 0 年代以来，随着m o c v d 、m b e 等超薄外延层生长技术的成熟与完善，已可以制得具有特定能带结构、实现特定 功能的h b t 。不同材料体系的h b t 的相继研制成功，使得h b t 在高频、高功 率等方面的优良性能得以充分体现，因此也充分展现了它的诱人前景。 当b j t 的研究启动后，h b t 的研究几乎也同时起步了，早在晶体管发明后 的第二年( 1 9 4 8 年) ，s h o c k l e y 就申请了h b t 的专利，并在1 9 5 1 年，首先提 出异质结概念。1 9 5 7 年k r o e m e r 理论上进一步系统阐述了异质结原理1 2 j 。他指出 宽禁带发射区能提高注入效率，抑制基区载流子的反向注入，大大提高电流增益， 同时可以通过高掺杂的基区和稍低掺杂的发射区来减少结电容和基区电阻，从而 提高晶体管的频率特性。k r o e m e r 先生因在半导体异质结构上的出色工作荣获 2 0 0 0 年度诺贝尔物理学奖【3 】。此外当年与k r o e m e r 一起获得诺贝尔物理学奖的是 来自俄罗斯的a l f e r o v ，以表彰他在异质结激光二极管等领域所做出的杰出贡献。 a l f e r o v 先生是我校( 北京邮电大学) 的名誉教授，非常感谢他一直以来对我实 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章f i b t 器件概述 验室工作的精心指导与大力支持l 也非常感谢他对我实验室的发展所提出的许多 具有前瞻性的宝贵意见l 在七十年代以前由于生长工艺技术的限制，h b t 器件一直都没有得以实现。 直到七十年代初，d u m k e 等人才第一次利用液相外延技术( l p e ) 成功制作出了 a 1 g a a s g a a sh b t l 4 j 。进入七十年代后，随着金属有机物化学气相沉积 ( m o c v d ) 、分子柬外延( m b e ) 等薄膜材料生长技术的诞生和发展，h b t 的 优良性能才得以充分体现。此后各种材料体系纷纷涌现，h b t 性能不断提高， h b t 器件与电路迅速发展。八十年代初，具有更好性能的i n g a p g a a s 和 i n p i n g a a sh b t 材料体系也开始引起人们的关注。1 9 8 4 年，k a n b e 等用l p e 成 功制备出了i n p i n g a a sh b t ；1 9 8 5 年，m o n d r y 等用m b e 技术研制出了 i n g a p g a a sh b t 。目前g a a s 基h b t 的可达1 7 0 g h z l 6 l 、i i l p 基h b t 的疗可 达3 0 0 g h z l 7 j 。这些研究成果的取得充分说明了h b t 所拥有的巨大潜力。 1 2h b t 的原理机制及优越性 相对于双极晶体管( b j t ) 来说，h b t 只是将其b j t 中的一个或两个同质结 换成了异质结。所以h b t 的理论是建立在双极晶体管( b j t ) 和异质结的理论 基础之上的。 1 2 1 b j t 的工作原理 对于同质结双极晶体管( b j t ) 来说，它是利用同种半导体材料制成的具有 两个p - n 结的晶体管，它是由电子和空穴两种载流子参与导电的半导体器件。两 个p - n 结形成了发射区e 、基区b 和集电区c 。在正常工作时，e b 结输入正向 偏置电压，便电子从n 型发射区注入基区，并以漂移扩散的方式穿越基区，当 它们到达b c 结时，便被该区的高电压扫入集电极中。注入基区的电子有一小部 分与基区的空穴复合，构成基极电流的一部分。此外，在正向偏压的e b 结，还 存在一种从基区进入发射区的空穴流，与电子复合产生另部分基极电流组份。 在b j t 的设计中，这是一个严重的限制。为了抑制反向空穴注入，实现大的电 流增益，就要使基区掺杂低于发射区两个数量级或以上。这样使基区电阻增大， 器件的频率特性变差。 1 2 2 册t 的工作原理 与同质结双极晶体管相比，异质结双极晶体管与其本质的区别就在于它引入 了宽禁带发射区，也就是说h b t 的发射区采用宽禁带材料，基区和集电区采用 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章h b t 器件概述 窄禁带材料，如图l - - 1 1 5 】所示。在宽禁带发射区与窄禁带基区的界面处，由于导 带和价带的不连续性，一方面提高了基区空穴注入到发射区的势垒，降低了基极 反向电流；另一方面降低了发射区电子注入到基区的势垒，提高了基极正向电流， 因此可以保证电流增益很大。与此同时，由于宽禁带发射区与窄禁带基区之间的 禁带宽度有较大差别，因此可以在保障发射区商注入效率的前提下，发射区的掺 杂浓度可以很低，而基区的掺杂浓度可以很高，因此，与传统的双极晶体管b i t 相比，h b t 不仅大大地降低了基区电阻，而且也使基区一发射区结电容大大减 小，从而提高了器件的工作频率。 图1 1 h b t 的能带示意图：( a ) 热平衡状态时：( b ) 正常工作时 1 2 3h b t 的电流组成原理 图1 2 描绘了一个典型的突变结h b t 的电流分布示意图。 图i 一2突变h b t 电流分布示意图 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章h b t 嚣件壤述 在图l 一2 中，各电流的物理意义如下： ；电子由发射区注入到基区成为基区的少子所形成的电子电流； j 。：基区空穴向发射区反向注入所形成的空穴电流； ：异质结空间电荷区的复合电流； l ：基区的体复合电流。 由图1 2 可知，h b t 各极的电流组成成份为： 发射极电流：t = 厶+ ，+ ； 基极电流：厶= i p + z ，+ t ； 集电极电流：t = 厶一 于是由电流增益芦的定义有： ， ，一， r 肛鸶2 赫 薏5 虬 “叫 其中凡为可能达到的最大电流增益。 1 2 4h b t 与场效应晶体管( f e t ) 的比较 h b t 与场效应晶体管一样也是三端器件，它们在电路中的作用在许多方面 也是相似的。虽然h b t 属于纵向器件，不适用于低噪声应用和平面结构，然而 它与f e t 相比具有许多其他的优点： ( 1 ) h b t 的速度由载流子纵向穿过薄基区( 通常小于1 0 0 n m ) 和集电区( 约 3 0 0 7 0 0 n m ) 的渡越时间决定。材料厚度由外延生长技术( 生长厚度可精确控制 到原予量级) 决定，因此在h b t 的制作中，l 3 岫的光刻尺寸就可以实现微波、 毫米波的高频应用( 力和丘。达到1 0 0 2 0 0 g h z ) 。场效应管的速度取决于横向 渡越时间，由栅的尺寸决定。如果要达到与h b t 相同的应用频率，掇的尺寸应 为o 2 o 5 m 。该尺寸必须采用复杂的电予束光刻技术才能实现。因而虽然在低 频范围，h b t 和f e t 都可以采用光学光刻制作工艺，造价相当；但对于高频器 件，f e t 必须采用亚微米光刻，因而较为昂贵； ( 2 ) h b t 的基区可以做到高掺杂，从而减弱了基区宽度调制效应及集电极 电流随电压珐，的变化，降低了h b t 的( 共射) 输出电导。所以h b t 具有较高 的线性和直流电压增益。模拟f e t 的输出电导受沟道衬底问的漏电流和陷阱的 影响，其漏极电流一电压特性随着频率而变化，故不适用于高精度的模拟电路。 相比之下，耶t 在模拟电路中的作用更为重要； ( 3 ) 纵向结构使得h b t 的发射区区域可全部用于传导电流，而横向结构的 f e t 只有薄薄的一层沟道可导通电流，因而h b t 的单位有效面积可流过较高的 电流。因此，h b t 与f e t 相比，有更大的电流处置能力和更高的传输电导： 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章h b t 器件概述 ( 4 ) h b t 的阈值电压由e b 结内建电势差决定，而对于f e t ，则由工艺参 数( 如沟道掺杂和厚度) 决定，因此i - i b t 比f e t 具有更好的阈值电压一致性； ( 5 ) f e t 中载流子在表面和衬底赛面之间流动，严重受到陷阱的影响。而 h b t 的有源结区与表面和衬底界面相隔离，因而陷阱影响较弱，l f 噪声较低； ( 6 ) 作为双极型器件，h b t 的击穿电压可以通过外延生长改交集电区的掺 杂和厚度来直接控制。此外，h b t 可以制作成互补形式( 即可以实现n l m 和p n p 两种形式的晶体管) 的晶体管，而f e t 则不具备这种灵活性。 1 2 5i n 基h b t 的优越性总结 h b t 的优越性己被s h o c k l e y 和k r o e m e r 所指出并由实验所证实。h b t 的主 要优点在于其利用能带的变化以实现对载流子的选择性控制。与传统的s i 双极 型晶体管相比，i n p 基h b t 具有如下的优越性： ( 1 ) i n p 基h b t 材料具有更高的电子迁移率和饱和速率，适合于高速器件 和电路； ( 2 ) 基区重掺杂可以降低基区宽度凋制效应( e a r l y 效应和k i r k 效应) 、基 区电导率调制效应和基区穿通效应，所以h b t 的共发射极输出阻抗很高( 即e a r l y 电压很高) ，能实现高线性和低的谐波失真； ( 3 ) 禁带宽度大，可以在s i 器件难以工作的高温领域工作。此外，添加c r 或f e 之类的杂质能够在禁带中央形成深能级并由此可得到高电阻率的半绝缘特 性，从而减少器件的寄生电容，因此电路的q 值可以做得很高； ( 4 ) 由于是直接跃迁型，发光效率高，便于实现光电集成； ( 5 ) 存在半绝缘衬底，因而简化了h b t 的隔离工艺，降低了寄生效应，增 强电路的抗辐射能力，有助于实现单片集成电路。 1 3h b t 器件的性能参数 对于h b t 来说，衡量其器件特性的性能参数有很多，但最主要的是以下几 个参数。 1 3 1 截止频率矗和最高振荡频率厶。 截止频率疗和最高振荡频率丘是描述h b t 频率特性优劣的两个主要参量。 二是指对交流信号具有电流放大能力的频率上限，定义为正向电流增益下降到 0 d b 时所对应的频率，它与载流子通过h b t 器件的渡越时间有关，渡越时间越 短，矗越高。- 懈是指对交流信号具有功率放大能力的频率上限，定义为最大可 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章h b t 器件概述 达功率增益下降到o d b 时所对应的频率，它不仅与载流子的渡越时间有关，而 且还强烈依赖于基区电阻的取值，基区电阻越小，。越高。因此掌握二和。o 与器件版图尺寸、物理参数的内在关系是设计h b t 的关键。 关于力与丘的关系表达式将在第二章中做进一步的讨论。 1 3 2 电流增益口 h b t 的共射直流增益和小信号电流增益可分别表示为： ：至，：垒生 ( 1 2 ) 。l 8 i 址8 对于h b t 来说，增益与高频特性之间通常存在着折中关系，特别是对于缓 变h b t ，随着器件尺寸减少、高频性能的提高，增益退化问题就更严重。 1 3 3 开启电压 突变异质结界面处的导带不连续量e ，对于h b t 载流子输运以及直流性能 起着极其重要的作用。从影响直流性能的角度而苦，这是因为大的蛆提高了 h b t 器件的开启电压【8 1 ： 把e 9 2 + a e c + k t l n 惫k t i n 彘( 1 - - 3 ) 其中各物理量的意义如下： ：内建势最：基区带隙宽度 l ：发射区掺杂浓度m ：基区掺杂浓度 c j ：发射区导带状态密度机。：基区价带状态密度 对于缓变异质结：a e c 趋于0 e v 。 由于电子通过突变异质结界面进入基区是高度方向性的，更大的a b 意味着 注入到基区的电子更多的在本征基极区，这减少了电子在基极表面与空穴的复合 机会，因而从这个角度而言，对注入比和电流增益的改善有好处的【9 1 。但如果睇 过大且基区太薄的话，那么经过集电结电场加速后，进入集电区的电子将有不利 于h b t 正常工作的过高能量，并引起碰撞电离嗍。 1 。3 4 击穿电压 在i - i b t 器件中，击穿现象一般发生在空间电荷区。对于h b t 来说有三个 基本击穿电压：集电极一基极结击穿电压( b v c n o ) ：发射极一基极结击穿电压 ( 嚣) 和集电极一发射极击穿电压b 。 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章i - i b t 器件概述 对于高的占，有利于器件的线性和高功率应用。由于基区重掺杂，该电 压参数主要取决于集电区掺杂和宽度。更厚的集电区和更低的掺杂浓度可以使得 占p z 阳得以提高，但这是以增加集电区渡越时间从而影响速度为代价的【l o l 。 在实际的运用当中，除了少数的几个应用外【l i ，1 2 1 ，一般要求h b t 有较低的 b 。 1 4 在h b t 器件中所运用的材料体系及材料的主要生长技术 1 4 1 在h b t 器件中所运用的材料体系 目前用于制备h b t 器件的材料体系主要有g e s i 、s i c 、g a a s 、g a n 、i n p 。 对于s i c 和g a n 材料，由于它们具有宽禁带、高电导率、高击穿场强等特性， 可以广泛应用于高温、大功率以及抗辐射领域。但由于这两类是较新出现的用于 制备h b t 的材料，因此在材料生长和制备工艺上还有待于进一步的完善。 在微波与毫米波领域当中比较常见的是用g e s i 、g a a s 、i n p 这三种材料体 系制作的h b t 。就频率特性而言，从低到高的排列依次为g e s i 、g a a s 、i n p 体 系，但其制作成本也相应地依次增加。 对于g e s i 体系，由于其工艺可与成熟的s i 集成电路工艺技术相互兼容，并 且成本低、在价格上有很大的优势，因而引起人们极大的研究兴趣。当s i s i g e h b t 以s i ，g q 一。渐变层作为基区时，可以得到更高的注入效率，同时也可以在基 区引入一内建场，从而减少了基区的渡越时间，改善了器件的频率特性。但s i g e 材料存在随g e 组份增加g e 发生分凝的难题。 对于g a a s 体系，由于它具备高的可靠性和相对成熟的工艺，使得它在微波 及毫米波领域当中有着广泛的应用前景。虽然不同组份的a l ，g a 。a s 材料均能与 g a a s 材料实现晶格匹配而作为最初相应h b t 的发射区，但由于a l 的化学性质 活泼并极易氧化，很容易形成深能级复合中心，从而使得器件的性能以及可靠性 打了折扣。为了解决此问题，人们提出了用i n 。g a p 材料代替a l 。g a s 材料。 i n 。g a 。p 与g a a s 晶格匹配，其禁带宽度较大，且与g a a s 价带不连续性较大 而与导带不连续性较少，同时不太容易存在a l 。g a 。a s 材料中所具有的深能级复 合中心。因此用i n 9 g a p 材料代替a l ，g a l 。a s 材料作g a a s h b t 的发射区是一 个发展趋势。目前，g a a sh b t 及其相关电路是研究最多和市场应用最为广泛的 一类h b t 。 对于i n p 基h b t ，其主要优点是与之晶格匹配的i n g a a s 材料较g a a s 材料 有更优越的电子输运特佐，i n g a a s 材料中电子有更高的迁移率、更高的饱和速 率，这使得i n g a a s l n ph b t 器件有更低的基区渡越时间和寄生电阻，因而有了 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章h b t 器件概述 更好的频率特性，因此在g e s i 和g o a s 材料很难达到的频率范围内，i n p 体系 h b t 成为了首选材料。另外，i n o j ，g a 。，a s i n ph b t 因与光通信所用的激光器、 探测器等器件采用相同的材料体系，因而在材料外延和器件工艺上有利于实现光 电集成。但i n p 体系的材料较贵，同时该材料也比较脆，在实验的过程当中容易 发生破碎，影响着实验器件制备的成品率。 1 4 2t t b t 材料的主要生长技术 材料生长技术的发展对h b f 器件的发展起着至关重要的作用。h b t 器件从 诞生开始，一直以来都受到材料生长技术和制作工艺条件的制约。l p e 技术的 出现使得h b t 器件优于s i 器件的潜能得以实现，但直到m o c v d 、m b e 等外 延技术的出现，h b t 才得以飞速发展。m o c v d 、m b e 能制出结构完美的高纯 度单晶，并且能做到掺杂浓度达到1 0 1 9 c m 3 以上，能精确控制掺杂浓度的变化， 并做到不损伤晶格。由于生长温度较低( 特别是m b e ) ，杂质扩散较弱，掺杂的 突变比较陡峭，突变结可以比较窄。这两种生长技术的生长速度和每层的生长厚 度都可以精确控制，能做到量子尺寸。例如对于m o c v d 技术，每层的生长厚 度能做到5 0 a ，对于m b e 能达到1 0 a 以下。 ( 一) m o c v d 生长技术 化学气相沉积法是利用化学反应从气相进彳亍结晶生长的一秘方法，其中对于 m o c v d ( 金属有机物化学气相沉积) 则是利用三甲基金属有机化合物作为i 族元素的源，以氢化物作为v 族的源，在6 5 0 7 5 0 c 下热解并附着在衬底上形 成外延层。不同的合金组分由金属有机物源的相对压力比来进行控制。 m o c v d 的生长技术相对简单，不需要超高真空的生长条件，可大批量生长。 主要缺点是；真空度不高，容易引起杂质沾污；生长温度过高。容易引起组分层 的模糊，以及杂质的反向扩散；生长速度过快，不易控制。 ( 二) m b e 生长技术 分子束外延( m b e ) 这一概念由卓以和于1 9 7 0 年提出。它是七十年代在 真空蒸发的基础上迅速发展起来的制备极薄单层膜的新技术。虽然真空蒸发早在 5 0 年代就已经用于制备半导体材料，但直到超高真空技术的发展外延生长条 件才得以实现，并应用于源材料和衬底清洁工艺的设计和控制。现在m b e 已发 展成为制备外延半导体和金属薄膜的最新技术，有着极其广泛的用途。m b e 近 几十年的发展已经达到可以通过人工生长技术来控制材料的分层结构、设计各种 能带结构，从而使得半导体光电丰才科的“人工能带剪裁工程”成为可能。可以看 到分子束外延技术及其由它制备出来的人工剪裁半导体材料将对半导体科学今 后的发展产生不可估量的影响。 s 北京邮电大学顼士研究生学位论文 第一章h b t 器件概述 m b e 是一种在超高真空环境下分别蒸发i i i 族和v 族元素以获得分子束或 原子束并将这些粒子束沉积在已被加热了的衬底上而形成外延薄膜的一种材料 外延生长技术。分子柬由装有各种元素组分或化合物的生长材料的k n u d s e n 喷射 室产生，从喷口喷出聚集在衬底单晶表面进行反应而进行生长。早在1 9 5 8 年 g u n t h e r 就已经提出用m b e 生长i i i - v 族材料的思想1 1 3 1 ，其利用“三温度法” 通过分立的蒸发源，分别蒸发i i i 族和v 族元素，并保持衬底在适当的温度，生 长获得了符合化学计量比的i i i v 族化合物多晶薄膜。到了1 9 6 8 年d a v e y 等采 用改进了的g u n t h e r 方法在清洁的单晶衬底上生长得到g a a s 单晶薄膜【l 钔。同年， a r t h u r 等人首先进行了g a 和a s 在g a a s 表面的反应动力学研究，对m b e 的生 长机理有了一定的了解，奠定了m b e 的理论基础l l ”。7 0 年代初，卓以和改进 和完善了m b e 系统生长和监控的手段州。他将g a 源和a s 源放置在超高真空 系统中，并分别加热至不同的温度，产生的g a 束和a s 束射向加热的清洁的g a a s 表面，一层接一层地生长出了符合化学计量比的高质量的g a a s 薄膜单晶。接着 他又利用m b e 进行了g a a s 的n 型、p 型掺杂并制备出了多种半导体器件，并 于1 9 7 1 年生长出第一个g a a s a i g a a s 超品格材料，大大刺激了m b e 技术的发 展。 m b e 生长技术的主要优点：l 、由于是在超高真空的环境中生长，故可得 到高纯单晶；2 、生长温度低可避免相互扩散，能在界面上生长突变的超精细结 构；3 、可以精确控制束流和生长速率，生长超薄厚度的外延层；4 、监测手段 多。由于系统为高真空，可通过发射式高能电子衍射( r h e e d ) 、四极质谱仪 ( q m s ) 等方法进行实时监控。 m b e 自7 0 年代诞生以来，其发展速度十分迅速，之后人们先后发明了气态 源分子束外延( g s m b e ) 、化学束外延( c b e ) 、固态磷源技术和射频等离子 体( r fp l a s m a ) m b e 技术。 1 5 制备h b t 器件常用工艺i ”i 不同的制备工艺对h b t 性能的影响有时会显得很明显。例如在确定好h b t 器件的材料和纵向结构后，横向结构等设计工艺便成为提高器件频率特性的重要 任务。器件横向结构设计就是掩模版的图形结构设计，设计时必须考虑工艺线所 能达到的工艺水平。通常在最小光刻线宽允许的条件下，要尽可能缩少器件的横 向结构参数，以减少器件的寄生效应从而提高频率特性，从工艺上可以采取自对 准工艺。再如为了降低器件的电容可以采用空气桥工艺与离子注入工艺，提了高 器件的稳定性可以采用平坦化工艺与表面钝化工艺。 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章h b t 器件概述 1 5 1 自对准工艺 基区与发射区之间采用自对准工艺之后，可以缩小发射极与基极之间的间 距，减少外基区面积，从而降低基区串联电阻及b c 结电容，因而可以提高h b t 的频率特性，因此，自对准工艺在h b t 的制备中被普遍采用。 1 5 2 空气桥工艺 空气桥是微波器件及高速单片集