（电磁场与微波技术专业论文）inp基hbt的理论研究及其在光接收机前端的应用.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 摘要 i n p 基h b t 的理论研究及其在光接收机前端的应用 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“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。 随着宽带通信系统和高容量的网络系统的发展，对高速、低功 率损耗器件的需求越来越迫切。应对这种对器件和电路的高性能的 需求，h b t 的研究迅速发展起来。在目前的科研中h b t 常选i n p 晶格 匹配的i n g a a s 材料，由于i n p i n g a a sh b t 很好的特性，它可以实 现高掺杂，并且是突变异质结，可实现高电子迁移速率，和低导通 电压，进而使得它具有高速的性能和低的功率损耗 本论文的工作主要是从i n p 基h b t 器件的理论出发研究器件的 设计、实验的制备。以下是本论文的研究成果： ( 1 ) 发射极电流集边效应是限制h b t 承载电流能力的主要因素之一。 本文对其进行了详细的讨论。论文计算了发射极电流集边效应对 b - e 间的结电压的影响，讨论了发射极掺杂浓度、发射极长度、 基极厚度的、发射极宽度对发射极电流集边效应的影响，从而优 化h b t 结构及掺杂浓度的设计。 ( 2 ) 研究了h b t 的结构以及掺杂浓度对其高频性能的影响。讨论了 i n p 基h b t 的发射极、基极、集电极各自的掺杂浓度、宽度、长 度、厚度对h b t 截止频率和最大振荡频率的影响，结合实际情 况优化h b t 的结构参数及掺杂浓度的设计。 ( 3 ) 对已有的新型h b t 结构研究成果上进一步研究，从理论上研究 出一种方法可以解决原来结构中当掺杂浓度发生微小变化时， h b t 的能带图会有剧烈变化的问题，而且有更好的反向击穿特 性，同时保持其特有的p i n 吸收层。 ( 4 ) 参与了i n p 基h b t 器件的制各。经测试得出：对于2 p 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厶2 0 g h z 。 关键词：异质结双极晶体管( h b t ) 双异质结双极晶体管( d h b t ) 发射 l i 北京邮电大学硕上学位论文 摘要 极电流集边效应截止频率最大振荡 i i i 北京邮电大学硕士学位论文 摘要 t h e o r e t i c a li 也s e a r c ho ni n p b a s e dh b t a n dt h e a p p l 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 sf r o n te n d a bs t r a c t t h er e s e a r c hw o r kd e s c r i b e di nt h i sp a p e rw e r es u p p o s e db yt h e g r a n t s f r o m m a n y r e s e a r c h p r o j e c t s ，i n c l u d i n g d o c t o r a l s u b j e c t s r e s e a r c hg r a n t so f m i n i s t r y o fe d u c a t i o n ，“m o n o l i t h i co e i c p h o t o r e c e i v e r m o d u l e sb a s e do nr c ep h o t o d e t e c t o r sa n dh b t ( 2 0 0 2 0 0 13 010 ) 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 fc h i n a ，“b a s i c r e s e a r c ho ni n t e g r a t e d o 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 e a d v a n c e do 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 314 9 0 0 ) a st h ed e v e l o p m e n to fw i d t h - b a n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dh i g h c a p a c i t yo fn e t w o r ks y s t e m ，t h en e e do fh i g hs p e e da n dl o wp o w e rl o s e d e v i c eb e c a m e m o r ea n dm o r eu r g e n t f o rt h ed e m a n do fh i g h p e r f o r m a n c ed e v i c ea n de l e c t r i cc i r c u i t ，t h er e s e a r c ho fh b td e v e l o p e d r a p i d l y a tp r e s e n t ，s c i e n t i f i cr e s e a r c ho f t e nc h o o s e si n g a a sw h o s e l a t t i c em a t c h e si n ea tt h es a m et i m e ，b e c a u s ei n p i n g a a sh b th a s g o o dc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha si tc a nc a r r yo u th i g hd o p i n g t h i sh b t h a s a b r u p th e t e r o j u c t i o nj u n c t i o n ，i th a se l e c t r o nt r a n s f e rr a t ea n dl o wt u m i v 北京邮电大学硕士学位论文 摘要 o nv o l t a g e ，s oi tc a nm a k eh i g hs p e e da n dl o wp o w e rl o s eb e c o m e t r u e t h i sp a p e rs t u d i e dd e s i g na n df a b r i c a t i o no fi n p b a s e dh b tb a s e d o nt h et h e o r yo ft h eh b t r e s e a r c hr e s u l t s ，a sl i s t e db e l o w , h a v eb e e n a c h i e v e d b e c a u s et h ee m i t t e rc r o w d i n gi so n eo ft h ef a c t o r st ol i m i ti t s c a p a b i l i t yo fl o a d e dc u r r e n t t h i sp a p e rm a d e ad i s c u s s i o no ft h i st o p i c t h ep r o b l e mo ft h ee f f e c to fe m i t t e rc r o w d i n go nb a s e e m i t t e rj u n c t i o n v o l t a g ew a sc a l c u l a t e d t h e nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n 硎w e ( t h e r a t i o o fe f f e c t i v ee m i t t e rw i d t ha n dt h ee m i t t e rw i d t h ) a n di t si n f l u e n c i n g f a c t o r s ( e g b a s ed o p i n g ，e m i t t e rl e n g t h ，b a s et h i c k n e s s ，e m i t t e r w i d t h ) w a ss t u d i e d ，s ot h a tt h es t r u c t u r ed e s i g no f l n pb a s e dh b tc a nb e o p t i m i z e d t h ei n f l u e n c eo fi n p - b a s e dh b t sh i g h f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c f r o mh b t ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n di t sd o p i n go fd i f f e r e n tl a y e r s w e r es t u d i e d t h er e s e a r c ho fd o p i n g ，w i d t h ，l e n g t h ，t h i c k n e s so f d i f f e r e n th b t sl a y e r ( e g b a s el a y e r , e m i t t e rl a y e ra n dc o l l e c t o rl a y e r ) w a sa c h i e v e d t h ee f f e c to ft h e s ef a c t o r so nc h a r g i n gt i m e ，c u t o f f f r e q u e n c ya n dm a x i m u mo s c i l l a t i o nf r e q u e n c yw a sc a l c u l a t e d a c t u a l s i t u a t i o na n dt h er e s u l to fc a l c u l a t i o n so p t i m i z et h ed e s i g no fh b tw e r e c o m b i n e d f u r t h e rs t u d yo fan o v e lh b ts t r u c t u r ew a sc a r d e do u tt h e o r e t i c a l l y , am e t h o dt os o l v et h ep r o b l e mt h a ts m a l lc h a n g eo nd o p i n go fh b t v 北京邮电大学硕士学位论文 摘要 w o u l dm a k ed r a m a t i cc h a n g eo fe n e r g yb a n dw a sf o u n d a tt h es a m e t i m e ，t h i ss t r u c t u r ew o u l dh a db e t t e rb r e a k d o w nv o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c a n dk e e pi t sp i na b s o r b i n gl a y e r 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 no fi n p b a s e dh b t t h e t e s t i n gr e s u l t so ft h i sd e v i c ed e s c r i b e da sf o l l o w i n g ：a st ot h e2 聊s i z e s 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 ff tw a s2 0 g h z k e yw o r d s ：h e t e r o j u c t i o nb i p o l a rt r a n s i s t o r ( h b t ) d h b t e m i t t e r c r o w d i n g c u t o f f f r e q u e n c y m a x i m u mo s c i l l a t i o n f r e q u e n c y 北京邮电大学硕士学位论文声明 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： 辽琳动叁日期：翟啄q 立：圣q 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间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：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 江捧孤 日期：塑墨：全主：猹 北京邮电大学硕士学位论文第一章h b t 器件概述 第一章h b t 器件概述 异质结双极晶体管( 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 ) 作为一种结构独 特的晶体管从七十年代出现以来，发展十分迅猛，对现代生活所带来的影响越来 越明显。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完善与发展， h b t 的性能也不断地得以提高。在卫星通信、移动通信、光纤通信、国防电子 系统等通信领域h b t 器件已经得到了非常广泛的应用。 h b t 在目前的光纤通信系统中的作用也越加明显。随着光纤通信技术的迅猛 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基本原件。 本章将论述h b t 的发展历史、原理机制及其主要性能参数，并分析了h b t 材料的生长技术，材料体系，器件流片中常用工艺。 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 在微电子领域起着非常重要的作用。 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【2 】。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。 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1 9 7 2 年，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 。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 ) 、分子束外延( 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，h b t 所能达到的最高性能是伊利诺斯大学研制的 北京邮电大学硕士学位论文 第一章h b t 器件概述 i n p 基h b t ，f r 达到7 1 0 g h z ，厶。达到3 4 0 g h z 1 2h b i 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 1b 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，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，使电子从n 型发射区注入基区，并以扩散的方式穿越基区，当它们到达 b c 结时，在该区的高电压下漂移到集电极中。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，与电子复合产生另一部分基极电流组份。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 2h b t 的工作原理 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 2 北京邮电大学硕士学位论文 第一章h b t 器件概述 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，基区和集电区采用窄 禁带材料，如图1 1 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，可以在保障发射区高注入效率的前提下，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 j 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 大幅减小，从而提高了器件的工作频率 1 2 3h b t 的电流原理 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1 2突变h b t 电流分布示意图 在图1 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； ，。：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 = l + ，。+ ； 基极电流：厶= i p + + ； 集电极电流：t = 厶一 于是由电流增益的定义有： f l = 2 寿南 m ， 注入比是双极晶体管的重要参数。注入比是指b e 结加正向电压时，n 区向 p 区注入的电子与p 区向n 区注入的空穴之比。对于突变异质结，注入比为【6 】： 北京邮电大学硕士学位论文第一章h b t 器件概述 l i p 糕o p e 唧( 争 ( 1 _ 2 ) 一= 一p x n 一- ，11 、 x8 n b 一姐? 、一。 d 为扩散系数、为掺杂浓度、x 为外延层厚度、蛆为导带能隙差。对 于b j t 器件蝇= o ，要提高必须增大注入比。从上面公式中可以看到，由于 p n 结两边的扩散系数与外延层厚度相差不大，要提高注入比e 区的掺杂浓度 必须远大于b 区掺杂浓度。而对于h b t 器件，由于蝇的存在，即使e 区低掺 杂，b 区高掺杂，也可以获得高的注入比。对于i n p i n g a a s 构成的p n 结为例： a e ) = 1 6 9 x 1 0 6 。由此可见，h b t 可以获得很高的注入比。 1 2 4h b t 的优越性总结 ( 1 ) g a a s 基、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 ) 异质结的导带和价带的不连续性提高了器件的注入比。 ( 3 ) 基区重掺杂可以降低基区电阻，发射区轻掺杂可以减少b e 结电容，这些 都有利于提高器件的高频特性。 ( 4 ) 由于是直接跃迁型，便于实现光电集成。 ( 5 ) 功耗小，电流驱动能力高。 ( 6 ) 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 3 h b i 器件所运用的材料体系 目前主要有g a a s 、g e s i 、i n p 和g a n 等几种材料体系可用于h b t 制备。对 于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。 g e s i 、g a a s 、i m p 基h b t 均可应用于微波和毫米波领域。就频率特性而言， 从低到高的排列为g e s i 、g a a s 、i n p 体系。0 4 年商业化h b t 比较如下： 表1 1 不同材料系商业化h b t 特性 4 北京邮电大学硕士学位论文第一章h b t 器件概述 材料系 g e s i g a a s i n p 特征尺寸截止频率晶圆尺寸( 英 ( , a m )( g h z )寸) 1 3 1 g e s i 材料系 o 2 5 l 1 9 0 1 0 0 6 0 7 0 3 0 0 8 1 2 6 4 g e s i 系，由于工艺可与成熟的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。与传统的s i 双极晶体管 相比，g e s i s ih b t 具有很多优点： 1 截止频率高。s i g e s i 以g e 。s k 应变层作为基区，可以得到高注入效率；同 时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。 2 、基区掺杂浓度高。高的基区掺杂浓度可以减小基区电阻。 目前g e s i s ih b t 在科研与商业方面得到了广泛得研究，并取得了巨大进展。 在射频及微波方面不断得到应用，商业化的器件与模块也不断推向市场。 g e s i s ih b t 缺点是材料能带间隙大，无法用于光通信，而且材料间晶格失 配随着g e 组分增大而增大，晶体生长困难。 1 3 2g a a s 材料系 g a a s 系，由于它的高可靠性及相对成熟的工艺，使得它在射频及微波领域 有着广泛的应用前景。g a a s 材料系的h b t 主要有a 1 g a a s g a a s 、g a l n p g a a s 两种形式的h b t 。 a 1 g a a s g a a sh b t 具有许多优点： 1 a 1 g a a s g a a s 的晶格匹配非常好，当a l 组分任意变化时，a i g a a s 与g a a s 可 以一直保持晶格匹配。因此a 1 g a a s g a a s 的组分控制难度低，材料容易生长。 2 g a a s 的带隙较宽，本征载流子浓度低，约为2 1 0 1 6 c m 一，本征材料的电阻率 约为5 1 0 8 q c m ，是很好的半绝缘体。用作衬底时，g a a s 器件互联直接的 电容很小，可以忽略不计。 但是a 1 g a a s g a a s 也有许多缺点： 北京邮电大学硕士学位论文第一章h b t 器件概述 1 a l 的化学性质活泼并极易氧化、而且很容易形成深能级复合中心而使器件的 性能以及可靠性下降。 2 a 1 g a a s g a a s 材料的带隙差大，而且带隙差主要是导带不连续，因此发射极 的导带势垒很大，h b t 的开启电压高。 3 a 1 g a a s g a a s 的材料选择腐蚀性差，器件制作工艺难度大。 g a l n p i g a a sh b t - 9 0 年代后，g a l n p g a a sh b t 被广泛研究，并且逐渐替代a 1 g a a s g a a s 成为 制作h b t 的主要材料之一。g a l n p g a a sh b t 与a i g a a s g a a sh b t 相比具有许多 优点： 1 g a l n p 材料中没有a 1 组分氧化的问题，因此g a l n p g a a sh b t 的稳定性好，寿 命长。 2 g a l n p g a a s 材料与a 1 g a a s g a a s 材料相比，导带间隙缉几乎相同，而价带 间隙峨较大，g a l n p g a a s 为0 2 4 e v ，a 1 g a a s g a a s 为0 13 e v 17 1 。因此 g a l n p g a a sh b t 的电子注入效率更高。 3 g a l n p g a a s 的界面复合速率小于a 1 g a a s g a a s 的界面复合速率，因此h b t 的1 f 噪声小。 1 3 3 i n p 材料系 i n p 系h b t 具有非常好的高频特性，并且i n g a a s 材料的光电器件可以工 作在1 5 5 t m 光通信波长处。所以i n p 基h b t 在光通信中得到了广泛的研究与 应用。 i n p 基h b t 与g a a 基h b t 相比，有很多优点： 1 、导带不连续大，增益高； 2 、i n g a a s 禁带宽度比g a a s 小，异质结开启电压低，功耗小； 3 、i n g a a s 两能谱的间隔较大，容易形成速度过冲，电子高速通过集电区，减 少集电区渡越时间； 4 、i n g a a s 表面复合率比g a a s 小很多，减少了表面复合电流对器件性能的影 响： 5 、i n g a a s 电子迁移率高，电子在基区扩散速度高； 6 、i n p 的热导率大，有利于散热，从而有利于提高集成度； 7 、i n g a a s i n p 异质界面的缺陷少，质量好，由界面复合引起的1 f 噪声小 但i n p 体系的材料价格较贵，单晶尺寸较小( 目前工业上主流为4 英寸工 艺) ，导致i n p 系器件价格昂贵。同时该材料也比较脆，在实验的过程当中容易 发生破碎，影响着器件的成品率。 6 北京邮电大学硕士学位论文第一章h b t 器件概述 1 4 h b t 材料的主要生长技术 材料生长技术的发展对h b t 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 n l 3 以上，能精确控制掺杂浓度的变化， 且不损伤晶格。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。 ( 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行结晶生长的一种方法，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 i i 族元素的源，以氢化物作为v 族的源，在6 5 0 - - 7 5 0 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；生长温度较高，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 ) 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己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。现在m b e 己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 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； m b e 生长技术的主要缺点：1 、需要极高的真空，一般为1 0 7 p a 。2 、产量 较低，不适于工业生产。 1 5 h 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。 7 北京邮电人学硕士学位论文第章h b t 器件概述 1 5 1截至频率f t 和最高振荡频率k 截止频率厅和最高振荡频率名。是描述h b t 频率特性优劣的两个主要参量。 一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，力越高。疋。是指对交流信号具有功率放大能力的频率上限，定义为功率增 益下降到0 d b 时所对应的频率，它不仅与载流子的渡越时问有关，而且还强烈 依赖于基区电阻的取值，基区电阻越小，丘。越高。因此掌握矗和l 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。 关于厅与厶。的关系表达式将在第三章中做进一步的讨论。 1 5 2 电流增益 h b t 的共射直流增益和小信号电流增益a , a 可分别表示为： 寺筇= 瓮 3 ) 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，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 5 3开启电压 突变异质结界面处的导带不连续量皈对于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言，这是因为大的崛提高了 h b t 器件的开启电压： g = 乓z + 皈+ k t m c n i 。+ k t l nm n 2 j 1 - 4 ) 其中各物理量的意义如下： 圪，：内建势e 。，：基区带隙宽度 i ：发射区掺杂浓度 ：基区掺杂浓度 坼，：发射区导带状态密度以，：基区价带状态密度 由于电子通过突变异质结界面进入基区是高度方向性的，更大的皈意味着注入 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。但如果缉过 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 北京邮电大学硕士学位论文第一章h b t 器件概述 1 5 4击穿电压 在h 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( 曰琢。o ) ；发射极一基极结击穿电压 ( b 圪舯) 和集电极一发射极击穿电压艿m 。 对于高的召琢舯，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 b 舯得以提高，但这是以增加集电区渡越时间从而影响速度为代价的。 在实际的运用当中，由于宽带隙材料的碰撞离化率较小，为了提高击穿电压， 一般采用集电区也是宽带隙材料的双异质结双极晶体管( d h b t ) 。 1 6h b t 器件常用制备工艺 不同的制备工艺对h b t 性能会有很明显的影响。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。 1 6 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 6 2 空气桥工艺 空气桥是微波器件及高速单片集成电路制造中不可缺少的技术。在引出发射 极时，利用空气桥技术可以增加发射极引线与基极及集电极金属之间的距离，它 可使交叉布线产生的寄生电容减至最小，从而提高器件的频率及电路的速度。 1 6 3 聚酰亚胺平坦化工艺 由于h b t 是台面结构，外延片厚度一般l p m 以上，而且作为发射区的小台 9 北京邮电大学硕士学位论文 第一章h b t 器件概述 面通常在上面，因此引线在攀爬腐蚀台面的边沿时容易出现断裂的现象，采用聚 酰亚胺平坦化工艺则可以有效地避免这一现象的发生。此外，聚酰亚胺比s i 0 2 及s i 3 n 4 有更低的介电常数，在制备时所用聚酰亚胺的厚度一般比s i 0 2 及s i 3 n 4 厚，因此它还可以起到降低器件b c 结寄生电容，以提高器件频率特性的作用。 同时，聚酰亚胺还可以起到钝化的作用。 1 7 论文结构安排 本论文围绕i n p 基h b t 及集成光前端的基本组成单元晶体管的物理特性方 面进行理论与实验的研究。论文将按照异质结双极晶体管的物理特性的研究为主 线进行论述。论文的结构安排如下： 第一章论述了h b t 的发展历史、原理机制及其主要性能参数，并对h b t 材 料的生长技术，材料体系，特殊工艺进行了研究。 第二章先讨论了h b t 基极电流组成原理，接着电流的角度出发讨论了发射 极电流集边效应，并研究了h b t 中引起发射极电流集边效应的相关结构参数及 掺杂浓度，从而优化h b t 的设计。 第三章对单异质结h b t ( s h b t ) 器件的物理结构、理论模型及性能参数 做了较为详细的论述。本章从材料物理特性出发，推导出各个参量的表达式， 建立了h b t 理论模型。本章给出了器件不同参数对器件高频特性的影响，为实 际器件的制作提供了理论指导。 第四章对已经提出的一种适用于光电集成的双异质结h b t ( d h b t ) 新型结 构进行改进，不仅可以较好得解决了s h b t 反向击穿电压低，同时克服了原设计 结构中由于微小掺杂浓度就会严重影响h b t 能带特性的问题，同时保留原设计中 共享层结构。 第五章论述了描述了h b t 制备过程。分别介绍了外延片结构、工艺步骤与 参数，同时给出了实际测得的h b t 器件的性能图。 第六章概述了o e i c 发展的状况并对实验室已经实现h b t 前端放大器电路 做了概述。 1 0 北京邮电大学硕士学位论文第一章h b t 器件概述 参考文献 【1 lws h o c k l e y , u sp a t e n tn o 2 5 6 9 3 4 7 ，f i l e d2 6j u n e19 4 8 ，e x p i r e d2 4s e p t e m b e r 1 9 6 8 【2 l h k r o e m e r , “t h e o r yo faw i d e g a pe m i t t e rf o rt r a n s i s t o r s ”，p r o c e e d i n g so ft h e i r e ，v 0 1 4 5 ，1 9 5 7 ，p p 1 5 3 5 - 1 5 3 7 【3 】t h er o y a la c a d e m yo fs c i e n c e sp r e s sr e l e a s eo nt h en o b e lp r i z ei np h y s i c s 2 0 0 0 ，o c t o b e r10 ，2 0 0 0 【4 1w pd u m k e ，jmw o o d u l la n dvlr i d e o o u t ，s o l i ds t a t ee l e c t r o n i c s ，v o l15 ， 1 9 7 2 ，p p 1 3 3 9 1 3 4 3 【5 】w h a f e z ，w s n o d g r a s s ，a n dm f e n g ，“1 2 5 n mb a s e p s e u d o m o r p h i c 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 ra c h i e v i n g 力= 7 10g h z a n d 厶。= 3 4 0g h z ，” a p p l i e dp h y s i c sl e t t e r s ，v o l8 7 2 0 0 5 【6 】w l i u ，“f u n d a m e n t a l s o fi i i - vd e v i c e s ： h b t s ，m e s f e t s ， a n d h f e t s h e m t s ”，n e wy o r k ，w i l e y , 19 9 9 【7 】w l i u ，“f u n d a m e n t a l so fi i i - vh 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 s ”，n e wy o r k ， w i l e y , 1 9 9 8 【8 】h i g h - s p e e ds i l i c o n - g e r m a n i u me l e c t r o n i c s ，b e m a r ds m y e r s o n ，s c i e n t i f i c a m e r i c a n ，m a r 19 9 4 【9 1am a n u f a c t u r a b l ep o l y - e m i t e rg r a d e d - s i g eh b tt e c h n o l o g yf o rw i r e l e s sa n d m i x e d - s i g n a la p p l i c a t i o n s ，d ng u y e n - n g o c ，d a s u n d e r l a n d ，e ta 1 ，a p p l i e d s u r f a c es c i e n c e ，10 2 ( 19 9 6 ) 19 4 - 2 0 1 【1 0 】h i g hs p e e ds i g eh e t e r o b i p o l a rt r a n s i s t o r , a n d r e a ss c h t i p p e n , h a r r yd i e t r i c h ， j o u m a l o fc a y s t a lg r w o t h ，15 7 ( 19 9 5 ) 2 0 7 - 214 【11 】m a n u f a c t u r a b i l i t ya n da p p l i c a t i o n so fs i g eh b tt e c h n o l o g y , d a s u n d e r l a n d ，d c ah l g e r n ，m m g i l b e r t ，e ta 1 ，s o l i d - s t a t ee l e c t r o n i c s ，w 0 1 4 1 ，n o 1 0 ，p p 1 5 0 3 1 5 0 7 ，1 9 9 7 【1 2 】d a n k r