SiGe异质结双极晶体管的研究

1、燕山大学课 程 设 计 说 明 书 题目 SiGe异质结双极晶体管的研究 学院（系） 理学院 年级专业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）： 理学院 基层教学单位： 学 号学生姓名专业（班级）设计题目SiGe异质结双极晶体管的研究设计技术参数设计参数：振荡频率特征频率基区渡越时间直流放大系数SiGe中Ge的组分设计要求了解异质结双极晶体管HBT的基本原理，与BJT晶体管的对比，以及SiGe HBT的特性利用Silvaco软件对SiGe HBT进行仿真，准确得到其组成结构，输入输出曲线。并研究As掺杂对SiGe HBT的影响工作量十四个工作日左

2、右每个工作日三到五小时工作计划2012/11/12-2012/11/15 实验选题2012/11/15-2012/11/20 实验操作2012/11/21-2012/11/26 实验论文参考资料1刘恩科.半导体物理学（第七版）.电子工业出版社2SILVACOATLAS操作文档.中山大学微电子实验室3陈星弼，唐茂成.晶体管原理与设计M.成都:成都电讯工程学院出版，1987.指导教师签字基层教学单位主任签字年 月 日 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书SiGe异质结双极晶体管的研究摘 要：异质结双极晶体管（Heterojunction bipolar transistor,HBT）是在双极

3、结型晶体管（Bipolar Junction Transistor,BJT)的基础上，只是把发射区改用宽带隙的半导体材料，即同质的发射结采用了异质结来代替。W.B.肖克莱于1951年提出这种晶体管的概念。它是由发射区、基区和收集区由禁带宽度不同的材料制成的晶体管。它最初称为“宽发射区”晶体管，直到70年代中期，这种晶体管才得到较快的发展。关键词：异质结双极晶体管、SiGe HBT、Silvaco模拟SiGe heterojunction bipolar transistorAbstract ：The heterojunction bipolar transistor (Heterojuncti

4、on bipolar transistor, HBT) is on the basis of a bipolar junction transistor (Bipolar Junction Transistor, BJT), only the emitting region to switch to a wide bandgap semiconductor material, i.e. homogeneous emitter junction usingheterojunction instead. WB Shockley in 1951 put forward the concept of

5、this transistor. It is made of a different material from the forbidden bandwidth of the transistor by the emitter region, the base region and the collector region. It was originally known as the "broad emission zone" transistor, until the mid-1970s, this transistor only get faster developm

6、ent.Key word:Heterojunction bipolar transistor ,SiGe HBT , Silvaco simulation1. 实验原理1. 背景随着现代移动通信以及微波通信的发展, 人们对半导体器件的高频以及低噪声等性能要求日益提高。传统的Si材料器件已经无法满足这些性能上新的要求, 而GaAs器件虽然可以满足这些性能,不过它的高成本也让人望而却步。SiGe HBT器件的高频以及噪声性能大大优于Si双极晶体管, 可与GaAs器件媲美, 而且它还可以与传统的Si工艺兼容, 大大降低了制造成本, 所以SiGe HBT在未来的移动通信等领具有非常广阔的应用前景。全固

7、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器件及放大器性能,因此提高该类器件的性能具有很大的应用价值和现实意义。2. 异质结双极晶体管的特点1) 基区可以高掺杂 (可高达1020)，则基区不易穿通，从而基区厚度可以很小 (则不限制器件尺寸的缩小)；2) 因为基区高掺杂，则基区电阻很小，最高振荡频率得以提高；3) 基区电导调制不明显，则大电流密度时的增益下降不大；4) 基区电荷对C结电压不敏感，则Early电压得以提高；5) 发射区可以低掺杂 ( 如1017)，则发射结势垒电容降低，晶体管的特征频率提高；6) 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

8、越基区的时间得以减短。3. 结构分析异质结双极晶体管的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。从发射区向基区注入的电子流和反向注入的空穴流所克服的位垒高度是不同的，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。典型的NPN台面型GaAlAs/GaAs异质结晶体管的结构和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（高基区浓度）。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hfe1000,击穿电压120伏，特征频率15吉赫。它的另一些优点是开关速度

9、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InGaAsPInP管。InGaAsP具有比GaAs更高的电子迁移率,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。图1 GaAs异质结晶体管结构示意图4. SiGe异质结双极晶体管原理以SiGe HBT为例,它与Si BJT 相比性能优越,其根本在于前者发射结两边材料的禁带宽度不一样,即 SiGe HBT是

10、宽禁带发射极这一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Si BJT 的能带图，可以看到在Si BJT中发射区电子注入到基区需要越过的势垒与基区空穴注入到发射区需要越过的势垒相等，因此要提高发射结的注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，就要尽量降低基区掺杂,而这又要导致非本征基区串联电阻增加,晶体管的噪音系数增加,最高振荡频率降低。而要降低噪音系数,必须相应增加基区的厚度,这又要导致多数载流子电子在基区的渡越时间增加,器件的频率特性下降。图2 SiGe HBT(实线)与 Si BJT(虚线)的

11、能带示意图在 SiGe HBT中这一问题就得到了彻底的解决，本质在于SiGe HBT中基区 SiGe合金的禁带宽度与发射区的Si不一样,这样在发射结处两者必然要产生一个能带差而在 SiGe HBT 中因为应变的SiGe合金层是生长在Si衬底上的因此两者之间的能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 就要大大小于基区空穴注入到发射区需要越过的势垒，这同时也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Si BJT,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

12、的基区渡越时间也可以减小,提高器件的截止频率。一般情形下 Si BJT 的直流电流增益可表示为而 SiGe HBT 的直流电流增益可以表示为可见，随着基区Ge组分的增加Si发射区与SiGe基区的能带差增大，因此 SiGe HBT 的电流增益也随之增加，对于同样结构的器件 SiGe HBT与 Si BJT的电流密度之比可表示为可见远大于1，并SiGe HBT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指数增加. 截止频率是指晶体管在共发射极状态下应用电流增益为1时的工作频率，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子从发射区运动到集电区总延迟时间的倒数。最高

13、振荡频率与截止频率成正比，与基区扩展电阻集电结电容成反比，由于均匀基区SiGe HBT的基区电阻小于Si BJT的基区电阻，截止频率高于Si BJT的截止频率,所以 SiGe HBT 的最高振荡频率高于Si BJT的最高振荡频率 。综上所述，当将Ge引入Si BJT 的基区时,由于SiGe基区的带隙变窄，可以提高电流增益，截止频率和最高振荡频率即晶体管的直流特性和交流特性都得到极大的提高。5. SiGe异质结双极晶体管的特性1) 直流特性SiGe HBT的直流特性主要由直流增益和扼制电压决定。和都与SiGe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。的乘积越大，输出电流对偏压

14、的流动月迟钝，输出越稳定。、和都与Si中引入Ge形成SiGe合金的带隙与Si带隙之差有关，他们随的增大而显著的提高，这表明SiGe HBT与Si BJT相比，直流特性明显改善。2) 交流特性SiGe HBT的交流特性主要由交流截止频率和最大振荡频率表征。是电流增益为1时的频率；是功率增益为1时的频率。由SiGe基区渡越时间和发射区渡越时间决定。和都因Ge的掺入而减小，所以有很大的提高。反比于基区电阻，由于Ge的存在，降低了基区电阻。当基区掺杂浓度很高时，Ge含量越高，基区电阻越小，电阻的减小是由于空穴迁移率提高的结果。3) 噪声特性SiGe HBT的噪声系数与、有关，当越小、越小、越大，就越小

15、。SiGe HBT中由于Ge的引入，降低了和，提高了，从而降低了。6. SiGe HBT的工艺设计设计的SiGe HBT的主要工艺流程为:氧化NBL光刻预氧As注入NBL推进漂光沟阻预氧CSX光刻硼注入退火外延氧化ISO光刻高压氧化煮ISO平坦化SINK预氧光刻P注入SINK退火PBASE光刻MBESiGeLPCVDLPCVDCONT光刻淀积多晶Si退火/氧化PENH光刻硼注入NEMIT光刻As注入EMITTER退火LCONT光刻淀积多晶Si金属化。图3是采用的SiGe HBT基区纵向杂质分布结构, 采用分子束外延方式形成。图3SiGe HBT的基区纵向结构设计的SiGe HBT整体结构则如图

16、4所示图4 SiGe HBT结构示意图本文选择合金基区Ge分布为渐变, 从13%到22%, 基区的掺杂浓度为, 厚度为。采用Ge的渐变掺杂, 可以形成内建加速场, 大大提高少数载流子电子跨越基区的速度, 从而减小了电子跨越基区的渡越时间。针对基区B外扩, 在p+基区两侧分别增加一层不掺杂的SiGe阻挡层; 在结构中还引入了Si-帽层和Si缓冲层,以保证SiGe层的质量。发射区采用重掺杂多晶Si,既保证了较大的电子注入效率, 也能提供较小的发射区电阻; 同时, 也可以得到良好的欧姆接触, 收集区要保证有足够的击穿电压, 选取杂质浓度为, 厚度为的外延Si层。实际的HBT采用双基极结构, 如图5所

17、示,实测发射极面积为。图5 SiGe HBT 管芯照片2. 仿真模拟及研究结果本实验使用Silvaco软件对SiGe HBT进行仿真，模拟其结构以及输入输出特性曲线（即与关于输入电压的曲线），依此得到电流增益，并与Si BJT输入输出特性曲线做对比。通过改变基区Si中的Ge组分，通过相同的退火处理之后，得到的电流电压关系曲线，来研究Ge组分对SiGe HBT的影响。1. SiGe HBT结构仿真图6 SiGe HBT结构的Silvaco仿真2. SIGe HBT与Si BJT输入输出特性对比图7 Ge组分为0.20时 SiGe BHT输入输出特性曲线图8 Si BJT输入输出特性曲线3. Ge

18、组分分别为0.05和0.35时的电流-电压图形图9 Ge组分为0.05时 SiGe BHT输入输出特性曲线图10 Ge组分为0.35时 SiGe BHT输入输出特性曲线3. 实验结果分析1 SiGe HBT与Si BJT对比由图7经计算可以得到SiGe HBT的电流增益为最大最大集电极电流为0. 830mA。由图8经计算可以得到Si BJT的电流增益为最大最大集电极电流0.398mA。故通过在基区中掺杂Ge，即形成SiGe基区晶体管，可以在同等条件下，达到提高电流增益的目的，与理论相符合。当然经过对比，还可以发现：随着外电压的增加，SiGe HBT的电流增益在不停的发生变化，尤其外电压很小时，增益值特别小，在外电压之后逐渐趋于稳定；相对来说 BJT的电流增益值更加稳定，基本上不随外电压的变化而变化。2 Ge组分对SiGe HBT的影响从图7、9、10可以看出，在一定范围内，最大电流增益随着基区Si中Ge的组分的增加而迅速提高：Ge组分为0.05时，最大电流增益为29.065；Ge组分为0.2