薄基区异质结晶体管的负阻特性与分析.doc

薄基区异质结晶体管的负阻特性与分析第39卷第l期2006年1月天津大学学报JournalofTianjinUniversityV01.39No.1Jan.20o6薄基区异质结晶体管的负阻特性与分析张世林,李建恒,郭维廉,齐海涛,梁惠来(大津大学电子信息J程学院,天津300072)摘要:采用分子束外延方法生长了8nln基区的InGaPGaAs双异质结材料,研制成具有负阻特性的异质结晶体管.该晶体管可以集成在高速高频的数字逻辑电路中,大大减少了器件数目.讨论了薄基区负阻异质结晶体管的负阻特性及其物理机制.器件负阻特性的产生与其结构密切相关,包括导带势垒尖峰和基区宽度负反馈效应.推出了物理公式,并且使用PSPICE模拟软件建立了电路模型.模拟结果符合制作器件的测量结果.关键词:异质结晶体管;负阻特性;薄堆区;电路模拟中图分类号:TN43l文献标志码:A文章编号:04932l37(2006)01010905NegativeDifferentialResistanceCharacteristicandAnalysisofThinBaseHBTZHANGShilin,LIJianheng,GUOWeilian,QIHaltao,LIANGHuilai(SchoolofElectronicInformationEngineering,TianjinUniversit,Tianjin300072,China)Abstract:InGaPGaAsthinbase(8nm)dualheterojunctionmaterialisgrownbvmolecularbeamextension(MBE),andaheterojunctionbipolartransistor(HBT)withnegativedifferentialresistance(NDR)characteristieisfabrieated.NDRHBTcanheintegratedinhighspeedandhighfrequencydigitallogiccirt?uit,thenumberofdevicescanbereducedgreatly.TheNDRcharacteristicandphysicalanalysisofthinbaseHBTarepresented.TheNDRcharacteristicofthisdeviceiScloselyrelativetoitsstructure.includingconduction)andspikeandbasewidthnegativefeedbackeffect.ThephysicalformulasaregivenandthecircuitmodelisfoundedhyPSPICE.ThesimulatedresultiSclusetothemeasureoutcome.Keywords:heterojunctionbipolartransistor;negativedifferentialresistancecharacteristic;thinhase;circuitSimt11atiOn异质结晶体管(heterojunctionbipolartransistor,HBT)是利用异质结工作的三端器件.器件结构的主要特点是其PN结使用小同的材料制作,从lIf在界面七出现能带的不连续,形成导带势垒尖峰E对电子的输运起到阻挡作用.同时,薄基区HBT还具有负阻特性卜-,称为薄基区负阻异质结晶体管(thinbasenegativedifferentialresistanceheterojunctionbipolartran?sistor,TBNDRHBT).随着分子束外延(molecularbeamextension,MBE)技术的发展,晶体管的基区越来越窄,这就使基区薄层电阻n越来越大,基宽度调变效应也随之凸现,这样薄基Ix二晶体管的基区电流和电压收稿日期:20041I一30;修回日期:200504-30.基金项目:同家重点荩础研究发展规划金资助项(2002CB3l1905)作者简介:张世林(I953一),硕t,剐教授,zI1.sh.1ex,rou.eoiii.分l布宽基区的晶体管有很大不同.j极电流或电压恒定时,随着集电极电压增大,晶体管工作在线性区,集电极电流也增大.进一步增大,由于基区宽度调变效应,R增大,降落在基的电压和发射结电压也增大,这将导致导带势垒尖峰调制和基区宽度负反馈两种效应出现.所渭导带势垒尖峰调制效应,就是随着增大,AE:随之线性增大,阻挡电子电流,降低发射结注入效率,从mf降低,基区宽度负反馈效应就是随着增大,基极电流流过的电压降增大,无源区的而积增大,减小.继续增大:,出现基区穿通,急剧上升.所以薄基HBT的?110?天津大学学报第39卷第1期输出特性曲线表现出N型负阻1器件的设计与制作1.1负阻HBT的材料结构设计将器件设计为双异质结结构,所用材料在中科院物理所采用MBE方法生长,如表1所示.在半绝缘GaAs衬底上依次生长nGaAs亚集电极层,n掺杂InGaP集电极层,未掺杂spacer层,PGaAs基区层,未掺杂spacer层,nInGaP发射极层,nGaAscap层和nGaAscap层.发射区和集电区为si掺杂,基区采用Be掺杂.基区厚度的误差在4-1%左右,各区掺杂浓度均为均匀分布,误差在4-5%左右.可以看出,负阻HBT的结构除了基区宽度很小(8nm)外.其主要结构与常规的HBT相似.在此选用InGaP制作发射区可以避免A1GaAs引入DX中心,同时InGaP还具有表面复合速率低,AE,比AE,大以及选择腐蚀性高等优点.表1负阻HBT材料结构Tab.1StructureofNDRHBTmaterial掺杂类型材料掺杂浓度/(tool-Cnl.)材料厚度/nmGaAs51018200GaAs510.200InGaP110.60未掺杂GaAs05PGaAs110.8未掺杂GaAs051nGaP510300GaAs5105001.2器件制作工艺制作中采用普通接触式曝光,金属剥离,金属掩蔽腐蚀,台面腐蚀隔离,金属溅射,等离子化学气相淀积SiO和快速合金等工艺,整个工艺流程包括7次光刻.为了准确控制基区厚度,采用了选择性腐蚀技术,GaAs层用低配比Hs0一HO一HO溶液进行腐蚀,InGaP层用高配比HC1一HO溶液进行腐蚀.由于前者对InGaP/GaAs的选择比高达300:1,后者对GaAs基本无腐蚀作用,所以可较好地控制腐蚀至各层上方.发射极和集电极金属为磁控溅射AuGeNi/Au,基极金属为真空蒸发ZnAu/Au,制作完成后一起合金,合金温度从200oC逐渐升温到360oC,时间为5rain.各电极面积相同,均为20m30I.zm.2器件的负阻特性图1是利用表1材料制作的HBT在基极电压恒定条件下的测试结果,用电压除以基极串联电阻和内基区电阻可以得出电流值.图1薄基区HBT的J-特性Fig.1/-VcharacteristicofthinbaseHBT薄基区HBT在基区恒定电流和电压的条件下都可能产生负阻,薄基区HBT出现负阻的原因主要是2个独特的物理结构:异质发射结和薄基区.前者使发射结处产生导带势垒尖峰AE阻挡从发射区注入的电子电流;后者使内基区薄层电阻尺n非常大,在内基区中形成无源区,减少了集电极电流,流过的面积.而且二者对,的减小作用都随的增大而增大,这样就在输出特性曲线上形成负阻.2.1导带势垒尖峰调制机制由于基区宽度调变效应,当Vc增加时,中性基区的宽度随之减小.由于基极电流是横向电流,所以基区宽度的减小增大了基区电阻.在基极电流不变的情况下,就要增加,使AE,出现并增大,如图2所示,发射结的注入效率和集电极电流就会降低.表现在输出特性曲线上是在一段正向有源区之后,出现了负阻区.不考虑空间电荷区复合电流和集电结反向饱和电工三莓工等;j,者,发射结卒问电筒也结.问电简层图2导带和价带不连续的能带Fig.2Energybanddiagramillustratingconductionandvalencebanddiscontinuity2006年1月张世林等:薄基区异质结晶体管的负阻特性与分析?l11?流,集电极电流可表示为,(=exp(警)一-(1)式中:为发射结放大系数,=.;为发射结注入系数;为基区复合系数.不考虑基区复合,则有o=1,E:.对于异质结,在计算发射结注入效率的时候,需要考虑导带势垒尖峰AE:和价带能带不连续AE,对导带电子电流和价带空穴电流的阻挡作用.用I,棚和I,棚分别表示同质结的电子电流密度和空穴电流密度,则对于缓变结发射结的注入效率可表示为Lr,),-+Jpeo唧(-)式中AE表示异质结材料的禁带宽度差.由基区宽度调制效应可知,对于基区掺杂均匀的晶体管,其正向early电压为(3)OVcB式中为基区宽度.解此微分方程得Wn:WBoexp()式中是集电结偏压未增大到产生负阻时的基区宽度.在基极输入电流恒定的条件下,发射结上的电压降与Rr成正比关系,由于基区横向电阻|R口与基区宽度成反比关系,的值保持恒定,表示为啪WB0=VBEWB=C(5)式中VBE0和舯表示集电结偏压未增大到产生负阻时的发射结偏压和基区宽度.综合式(4)和式(5),得啪ex)(6)异质发射结的AE:与之间的关系没有一个解析表达式,但对于具体的HBT测试可以根据经验得出AE与之间满足线性关系,即AEc:a(B一b)(7)对于不同的HBT,a,b有不同的具体值,可以通过对具体HBT的测量结果进行模拟,计算出a,b的值.将式(6)代入式(7),得:.expI/VcR)一61将式(8)代人式(2)得,.,L.-+一)将式(9)代人式(1)得exp(百qVBE)一1=(8)(9).+唧xpldneO【一Jexp(学)一1(10)式(10)给出了,与的关系,可以明显地看出随着:上升,:下降,产生负阻.2.2薄基区宽度负反馈机制图3为基区电压降反馈效应的示意图.设和5分别表示与纸面平行和垂直的发射极尺寸,为发射区面积.由于很小,基极电流只有横向流动分量,在横向产生电压降,发射结电流,从发射区经过基区垂直地流向集电区.为了分析方便可将基区电阻分成2部分:从基区接触到发射结界面之间的基区电阻JR由于电压降,右侧的基区部分得不到.电压的驱动,故无发射区电流流过,称为无源区;与电流通过相对应的横向基区电阻R,从发射结界面(O处)到无电流区的距离为,实际上发射极电流只在5的面积流过,称为有源区.I魄一n,_一uBef_:接也_.基掇欧姆接触有源区键电阪欧蜡接触,集x半绝缘GaAs讨底图3薄基区HBT的纵向截面Fig.3ProfileofthinbaseHBT设p为基区电阻率,则基区总电阻町以表示为RBE=RBo+RBx=+pnX=一旦一一一一一啄0.屯,?ll2?天津大学学报第39卷第1期)用表示加在基极上的基区电压,由于存在电压降,(R.+R),则在发射结面上的电压为VBE=VB一,B(RB+R)=-lnRo一,.pXLE(12)令V.=0,可得无电流区左侧的X值为=AEBPBLE(13)实际流过基区的发射极电流可表示为,=JEAEx=.,XS=.,AE(14)式中:.,为发射极电流密度;蹦为电流实际流过的发射极面积.将式(13)代入式(14)得.,(15)由于,=od,则=odE=oJE(16)增大,会使基区一侧的耗尽区宽度X扩展,中性基区宽度.减小.X与Vc的关系可表示为=Nq(NN).(=,vI),)qNNNR厂)(l】)A式中:N和N.,分别为集电区和基区的施主杂质和受主杂质浓度;为材料的介电常数;V为平衡PN结内建电压,通常BJ,JV=V|由式(17)得中性基区宽度为()(18)将式(18)代入式(16)得,(=?一(等(19)式(19)给出了与Vc的关系,可以明显看出,随着:上升,下降,产生负阻.需要注意的是,推导的式子都是在输出曲线出现负阻段时适用的,不适用于整个曲线范围.对于饱和区和正向有源区,还要使用EM等模中的申和申流关系式.3器件的等效电路及模拟薄基区HBT负阻的产生依赖于发射结的导带势垒尖峰和内基区大电阻的负反馈,可在常规HBT模型的基础上考虑二者建立等效电路模型,如图4所示,包括中性区的串联电阻尺,尺,和尺,发射结和集电结,电子传输电流,尖峰和负反馈效应减少的电流,以及用来显示集电极一“叮叮pp;2006年1月张世林等:薄基区异质结晶体管的负阻特性与分析cE/V23图6I的输出特性曲线Fig.6Outputcharacteristiccurveof,vIG64j4结语对TBNDRHBT的负阻特性及其物理机制进行了电路模拟.TBNDRHBT具有负阻,双稳和自锁的特性,因此对于相同的逻辑功能,可以使用相对很少的TBNDRHBT来实现.同时TBNDRHBT还具有HBT的优点,因此TBNDRHBT在高频和高速数字电路中具有很大的发展潜力.参考文献:1LeeTW,HoustonPA.NewnonthermalmechanismfornegativedifferentialresistanceinheterojunctionbipolartransistorsJ.ApplLett,1993,62(15):17771779.5678LiuWenchau,WangWeichou,ChenJingyuh,eta1.AnovelInP/InA1GaAsnegativedifferentialresistanceheterojunc.tionbipolartransistor(NDRHBT)withinterestingtopeeshapedcurrentvoltagecharacteristicsJ.IEEEElectronDeviceLetters.1999.20(10):510513.LuSS,WangYJ.AGSMBEgrownGalnP/GaAsnarrowbaseDHBTexhibitingN?-shapednegativedifferentialresist?-ancewithvariablepeaktovalleycurrentratioupto110atroomtemperatureJ.1EEEElectronDeviceLetters,1994,15(2):602.YarnKF,WangYH,