微波双极晶体管

1、中国科学技术大学SiGe异质结双极晶体管半导体器件原理调研小论文李南云SA161730272016年12月3日星期六键A文字中国科学技术大学键入文字随着微波半导体技术的迅速发展，其应用领域乜不断扩大，相对的对器件的性能提出的要求也越来越高，在这种情况下，异质结双极晶体管（HBT）被提出来，这种晶体管最初称为“宽发射区”晶体管。其主要特点是发射区材料的禁带宽度大于基区材料的禁带宽度。由于HBT能在更高的频折获得与画R极晶体管相似的性,因而它一出世就获得了人们的重视。异质结双极晶体管（HBT）的结构特点是具有宽带间隙的发射区，HBT的功率密度高、相位噪声低、线性度好，单电源工作，虽然其高频工作性能

2、稍逊于PHEMT,但是它特别适合于低相位噪声振荡器、高功率放大器及宽带放大器。在微波频率，用GaAsHBT代替功率MOFET或者HEMT更有前途。关键词：异质结双极晶体管、HBT、GaAs.SiGe、半导体引言随着现代移动通信以及微波通信的发展,人们对半导体器1牛的高频以及低噪声等性能要求日益提高。传统的Si材料器件己经无法芮足这些性g小f的要求，而GaAs器1牛虽然可以满足这些性能，不过它的高成本也让人望而却步。SiGeHBT器件的高频以及噪声性能大大优于Si双极晶体管，可与GaAs器媲美，而且它还可以与传统的Si工艺兼容，大大阐氐了制造成本，所以SiGeHBT在未来的移动通信等领具有非常广

3、阔的应用前景。个固态电子设备的体积、重量、性能、价格和可靠性很大程度上都取决于双极功率韶牛及放大器性能，因此提高该类器什的性能具有很大的应用价值和现实意义。实际上HBT的概念早在1951年由WB肖克莱提出了，但是真正得以实现是在GaAlAs/GaAs外延生长技术瞬之后，70年代中期，在解决了碑化钱的外延生长问题之后，这种晶体管才得到较快的发展。异质结双极晶体管（HBT）的基本结构和特点1 .异质结双极晶体管异质结双极晶体管HBT是指发射区、基区和收集区由禁带宽度不同的材料制成的晶体管。异质结双极晶体管类型很多，主要有SiGe异质结双极晶体管，GaAlAs/GaAs异质结晶体管和NPN型InGa

4、AsP/InP异质结双极晶体管，NPN型AlGaN/GaN异质结双极晶体管等。键A文字中国科学技术大学键入文字异质结双极晶体管与传统的双极晶体管不同，前者的发射极材料不同于衬底材料,后者的整个材料是一样的，因而称为异质结器件。异质结双极晶体管的发射极效率主要由禁带宽度差决定，几乎不受掺杂比的限制，大大地增加了晶体管设计的灵活性。2 .异质结双极晶体管的结构图ENSiBPSiGe图1HBT基本结构图3 .异质结双极晶体管B勺特点:基区可以高掺杂何高达10201cnV），则基区不易穿通,从而基区厚度可以很小（则不限制器n尺寸的缩小）；：因为基区高掺杂，则基区电阻很小，最高振荡频率几fmax得以提高

5、；：基区电导调制不明显，则大电流空度时的增益下降不大;：基区电荷对C结电压不敏感，则Early电压得以提高；：发射区可以低掺杂（如10171crrV）,则发射结势垒电容卜翱氐，晶体管的特征频率R提高；：可以做成基区组分缓变的器件，则基区中有内建电场，从而载流子渡越基区的时诩1网短。4 .结构分析异质结双极晶体管的基本结构是SiGe材料作为基区，基区上下两层分别是Si基的发射区和集电区。主要特点是发射区材料的禁带宽度EgBo大于基区材料的禁带宽度EgE从发射区向基区注入的电子流In和反向注入的空穴流Ip所克服的势垒高度是不同的，二者之差为：因而空穴的注入受到极大抑制。发射极效率主要由禁带宽度差E

6、g决定，几乎不受掺杂比的限制。这就大大地增加了晶体管设计的灵活性。键A文字中国科学技术大学键入文字典型的NPN台面型GaAIAs/GaAs异质结晶位管的结构不杂质剖面能大幅度地减小发射结电容（低发射区浓度）和基区电阻蝎基区浓度）。最上方的N+-GaAs顶层用来减小接触电阻。这种晶体管的主要电参数水平已达到：电流增益hfelOOO,击穿电压氏120伏，特征频率fTlS吉赫。它的另些优点是开关速度快、工作温度范围宽（269+350）。除了NPN型GaAs宽发射区管外，还有双异质结NPN型GaAs管、以金属做收集区的NPM型GaAs和PNP型GaAs管等。另一类重要的异质结晶体管是NPN型InGaA

7、sP/InP管。InGaAsP具有比GaAs更高的电了迁谬，并且在光纤通信中有重要应用。异质结晶体管适于作微波晶体管、高速开关管和光电晶体管。已试制出相应的高速数字电路（I2L）和单片光电集成电路.SiGe异质结j极晶体管原理以SiGeHBT为例，它与SiBJT相比性优越，其根本在于前者发I寸结两边材料的禁带宽度不一样，即SiGeHBT是宽禁带发射极这点可以通过下图的器件能带图加以说明，其中假设SiGe基区中的Ge组分和杂质的分布是均匀的，虚线为SiBJT的能带图，可以看期主SiBJT中发射区电了注入到基区需要越过的势垒qVn与基区空穴注入到发射区需要越过的势垒qVp相等，因此要提高发射结的注

8、入效率唯一的方法只能是提高发射区和基区的掺杂浓度之比，因此为了获得一定的电流增益，就要尽量E行氐基区掺杂，而这又要一导期E本征基区串联电阻增加，晶体管的噪音系数增加，最高振荡频率frnax降低。而要的氐噪音系数，必须相应增加基区的厚度，这又要导致多数载流了电了彳!区的渡越时间增加，器件的频率特性下降。PStGcENSi图2SiGeHBT（实线）与SiBJT（虚线）的能带示意图在SiGeHBTT中这T可题就得到了彻底的解决，本质在于SiGeHBT中基区SiGe合金的禁带宽度与发射区的Si不一样，这杆在发射结处两者必然要产生一个能带差，而在SiGeHBT中因为应变的SiGe合金层是生长在Si衬底上

9、W,因此两者之间的能键A文字中国科学技术大学键入文字带差主要表现为价带的不连续，这样发射区电子要注入到基区需要越过的势垒qVn就要大大小于基区空穴注入到发射区需要越过的势垒qVp,这同时也一导致发射结的注入效率大大提高，因此此时要获得与同质结相同的电流增益,SiGe基区的掺杂浓度可以高于SiBJT,甚至发射极的掺杂浓度，这样就可以减小基区的串联电阻提高器件的最高振荡频率，同时基区厚度可以大大减小，电子的基区渡越时间一也可以减小，提高弱牛的截止癖上fsti况下SiBJT的直流电流增益可表示为：IcNEWEDn徇T=1=亭西而SiGeHBT的直流电流增益可以表示为：AEePhbt*PbjteK&g

10、t;r可见，随着基区Ge组分的增加Si发射区与Si发射区与SiGe基区的能带差Eg增大，因此SiGeHBT的电流增益也随之增加，对于同样结构的器件SiGeHBT与SiBJT的电流空度之比可表示为：陋空ftBJTKT可见aw/aB"远大于1,并SiGeHBT的电流增益随着Si发射区与SiGe基区的能带之差的增大而按其相应中酸增加。截止频率后是指晶体管在共发射极状态下应用电流增益为1时的工便率，是晶体管具有电流放大能力的最高工作频率，在数值上它是指载流了从发射区运动到集电区总延迟时间tec的倒数。最高振荡频率fmax与截止解fT成正比，与基区扩展电阻向集电结电容Cjc成反比，由于均匀基区

11、SiGeHBT的基区电阻小于SiBJT的基区电阻，截止频率A高于SiBJT的截止频率，所以SiGeHBT的最高振荡频辐于SiBJT的最高振荡癖。综上所述，当将Ge引入SiBJT的基区时，由于SiGe基区的带隙变窄，可以提高电流增益，截止频率R和最高振荡频率fmax即晶体管的直流特性和交流特性都得到极大的提高。SiGe异质结双极晶体管的特性1 .直流特性SiGeHBT的直流特性主要由直流增益$和扼制电压Va决定。p和Va都与SiG?基区中Ge的含量有关。Ge的含量分布有三种:均匀、三角和梯形。口与Va的菊R越大,键入文字中国科学技术大学键入文字输出电流对偏压的流动越迟钝,输出越稳定。氏Va和RV

12、a都与Si中引入Ge形成SiGe合金的带隙与Si带隙之差AEg*Ge有关，他们随AEg*Ge的增大而显著的提高，这表明SiGeHBT与SiBJT相比，直潮等性明显改善。2 .交流特性SiGeHBT的交流特性主要由交流截止频率方和最大震荡频率%”表征，6是电流增益为1时的频率，是功率增益为1时的解。立由SiGe基区渡越时间Tb和发射区寸间于决定。丽都因Ge的掺入而减小，所以R有很大的的提高。反比与基区电阻K,由于Ge的存在，降低了基区电阻。当基区掺杂浓度很高时，Ge的含量越高，基区电阻越小，电阻的减小是由于空穴序率提高的结果。SiGe的噪声系数Nf与&、珀、0有关，当R越小、巧越小、B越

13、大，N就越小。SiGeHBT中由于Ge的引入，降低了和马，提高了B,从而降低了N%异质结双极晶体管台面制作工艺对于SiGeHBT,根据器件的几何形状，可分为台面结构和平面结构。1 .HBT台面结构台面结构因其工艺简单，工艺容易控制，常采用台面工艺来验证SiGe材料的性能。SiGe台面结构工艺就是在SiGeHBT的制作中，选择腐蚀掉Si层，形成发射极台面，一次来实现SiGeHBT的制作。但台面结构也存!固有的缺点，如发射®电容过大，阻碍了截止癖行的提高；与平面化的器件集成往往很困难。图3给出了典型的台面结构示意图:集电区图3异质结双极晶体管台面结构示意图键A文字中国科学技术大学键入文字

14、目前常采用的SiGe台面结构的基本工艺为：在N衬底焙或者具有N掩埋层的P型衬底上外延一层N-做为集电区,然后外延的PSiGe层作为基区，再外延N型发射区，如果不采用多晶硅注入发射极，在外延N型发射区后还要再外延一层重掺杂的Si层作为发射区欧姆接触的帽层。淀积一层SiO2,进行发射区台面的光刻，以SiO?作为掩蔽膜采用SiGe湿法自终止腐蚀腐蚀出发射区台面。光刻出集电极台面。形成二氧化硅侧墙隔离。光刻出基级和发I寸极孰孔，然后金属化，电镀，金属光刻。钝化层淀积，刻引线孔。2 .HBT平面结构台面结构由于选择性腐蚀出发射极台面，这就带来了一个很严重的工艺问题，即发射极条宽不能过窄，因为如果发射极条

15、宽过窄,在形成SiO2侧墙后，金属化前的的接触孔光刻就要求设备具有较高的光刻精度，如果光刻精度不够，发射区接触孔过大，就会导致金属化后发射极与基级串通，所以这就限制了台面结构的发射极条宽的进一步减小，严重影响器性的提高。而器件采用平面结构就可以解决这个问题。平面结构的SiGeHBT用过发射区与外基区的选择性注入，可以有效的减小基区电阻R,从而提高器1牛的频率特住及减少韶牛噪声。图4给出了典型的异质结双极晶体管平面结构图：多品图4异质结双极晶体管平面结构图键A文字中国科学技术大学键入文字相比于台面结构，平面结构SiGeHBT在外延过程中发射区常外延本征Si,然后采用多晶硅注入的方法实现发射极及基

16、级，这就避免了台面工艺中由于光刻精度偏差而使发无极、基级连通的问题，可有效实现窄的发射极，从而减小了器1悔大电流口的发射极电流集边效应，同时较小的发射极条宽也可以有效提高发射极注入效率，从而减绍电容C",提高器频率特性，特别是平面工艺更有利于集成,所以现在对SiGeHBT的研究更多的是采用平面结构。SiGeHBT的优点硅器件在微电子技术发展中至今保持着统治地位，其集成度越来越高，在微波、高速领域具有优越0勺性能，但是受其自身的限制，要进一步提高硅器件的工作频率仍然比较困难,GaAs器1曲勺电子迁移率高,具有良好的射频和功率恃性，适用于高速和微波器件的应用，但是其制备工艺比硅复杂，成本

17、很高，并且与硅工艺不兼容，不能继承CMOS电路。SiGeHBT器1牛具备了两者的优点，近年来SiGeHBT得到了迅速的发展，基于SiGeHBT的功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）、；瓢器等在无线通讯中获得了广泛的应用，原来一直被GaAs等III-V族材料占据的高频大功率部牛市场就有可能被低成本的SiGe器件所取代。SiGeHBT的市场及其应用近年来，由于SiGe/Si外延技术的突破，使得SiGeHBT迅猛的发展，SiGe与COMS工艺相结合形成的SiGeBICMOS技术应用于微波和射频通讯领域中，可使RF和基带电路集成在同一芯片上，由于硅晶体管工作在1GHz2GHz频段中,而许多射频应

18、用却要求高达几十GHz的工傕顷率,这已经完全超出了硅器彳物8力所及的范围。对于SiGe器1牛,大都在上GHz的范围，而成本仅比Si技术高10%左右，因此在需要重点考虑高频特性的情况下应被优先采用；而在较高的频段（20GHz）以上,虽侬性能不如GaAs,但是由于其低成本和高集成度，仍然具有极大的发展空间，例如：SiGe低噪声放大器（LNA）、功率放大器（PA）、压控振荡器（VCO）、混频器、频率合成器、和A/D、D/A转换器等。在SiGe的应用市场中。SiGe器牛和电路主要生产商有IBM公司、SiGe半导体公司、SanfordMcrodevices公司、JaZZ半导体公司等。参考文献1刘恩科.半导体物理学（第七版）.电子工业出版社