微波双极晶体管

1、键入文字中国科学技术大学键入文字中国科学技术大学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日星期六摘要随着微波半导体技术的迅速发展，其应用领域也不断扩大，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能在更高的频率下获得与硅双极晶体管相似的性能，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

2、频工作性能稍逊于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GaAs HBT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材料器件己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

3、信等领具有非常广阔的应用前景。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器件及放大器性能，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W.B.肖克莱提出了，但是真正得以实现是在Ga Al As/GaAs外延生长技术成熟之后，70年代中期，在解决了砷化镓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，GaA1As/GaAs异质结

4、晶体管和NPN型InGaAsP/InP异质结双极晶体管，NPN型A1GaN/GaN异质结双极晶体管等。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图1 HBT基本结构图3异质结双极晶体管的特点 ：基区可以高掺杂(可高达10201 cm3 ) ,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)；：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；：基区电导调制不明显，

5、则大电流密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10171 cm3)，则发射结势垒电容降低，晶体管的特征频率fT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间得以减短。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EgB。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：Eg = EgE -EgB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

6、Eg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GaAIAs/GaAs异质结晶体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(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Bv120伏，特征频率fT15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InGaAsP/InP管。InGa

7、AsP具有比GaAs更高的电了迁移率，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。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Si BJT的能带图，可以看到在Si BJT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入效率唯一

8、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，而这又要一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fmax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了电了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）的能带示意图在SiGe HBTT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，这杆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

9、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，电子的基区渡越时间一也可以减小，提高器件的截止频率fT。一般情况下Si BJT的直流电流增益可表示为：BJT=ICIB=NEWEDnPBWBDP而SiGe HBT的直流电流增益可以表示为：HBTBJTeEgKT 可见，随着基区Ge组分的增加Si发射区

10、与Si发射区与SiGe基区的能带差Eg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：HBTBJTeEgKT 可见HBT/BJT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fT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与截止频率fT成正比，与基区扩展电阻rbb集电结电容Cjc成反比，由于均匀基区SiGe HBT的基区电阻

11、小于Si BJT的基区电阻，截止频率fT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fT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SiGe HBT的直流特性主要由直流增益和扼制电压VA决定。和VA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。与VA的乘积越大，输出电流对偏压的流动越迟钝，输出越稳定。、VA和VA都与Si中引入Ge形成SiGe合金的带隙与

12、Si带隙之差Eg*Ge有关，他们随Eg*Ge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fT和最大震荡频率fmax表征，fT是电流增益为1时的频率，是功率增益为1时的频率。fT由SiGe基区渡越时间B和发射区渡越时间E决定。B和E都因Ge的掺入而减小，所以fT有很大的的提高。fmax反比与基区电阻Rb，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迁移率提高的结果。3噪声特性SiGe的噪声系数NF与Rb、B、有关，当Rb越小、B越小、越大，N就

13、越小。SiGe HBT中由于Ge的引入，降低了Rb和B，提高了，从而降低了NF。 异质结双极晶体管台面制作工艺 对于SiGe HBT，根据器件的几何形状，可分为台面结构和平面结构。1HBT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SiGe HBT的制作中，选择腐蚀掉Si层，形成发射极台面，一次来实现SiGe HBT 的制作。但台面结构也存在其固有的缺点，如发射极电容过大，阻碍了截止频率fT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：图3 异质结双极晶体管台面结构示意图目前常采用的SiGe台面结构的基

14、本工艺为： 在N+衬底熵或者具有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P+SiGe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SiO2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。 光刻出基级和发射极接触孔，然后金属化，电镀，金属光刻。 钝化层淀积，刻引线孔。2HBT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，因为如果发射极条宽过窄，在形成

15、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，严重影响器件性能的提高。而器件采用平面结构就可以解决这个问题。 平面结构的SiGe HBT 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，从而提高器件的频率特性及减少器件噪声。图4给出了典型的异质结双极晶体管平面结构图：图4 异质结双极晶体管平面结构图相比于台面结构，平面结构SiGe HBT 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级，这就避免了台面工艺中由于光刻精度

16、偏差而使发射极、基级连通的问题，可有效实现窄的发射极，从而减小 了器件在大电流下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，从而减小结电容Cbc，提高器件频率特性，特别是平面工艺更有利于集成，所以现在对SiGe HBT 的研究更多的是采用平面结构。SiGe HBT 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、高速领域具有优越的性能，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器件的电子迁移率高，具有良好的射频和功率特性，适用于高速和微波器件的应用，但是其制备工艺比硅复杂，成本很高，并且与硅工艺不兼容，不能继

17、承CMOS电路。SiGe HBT器件具备了两者的优点，近年来SiGe HBT得到了迅速的发展，基于SiGe HBT的功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）、混频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器件市场就有可能被低成本的SiGe器件所取代。SiGe HBT的市场及其应用近年来，由于SiGe/Si外延技术的突破，使得SiGe HBT迅猛的发展，SiGe与COMS工艺相结合形成的SiGe BICMOS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，由于硅晶体管一般工作在1GHz2GHz频段中，而许多射频应用却要求高达几十G

18、Hz的工作频率，这已经完全超出了硅器件能力所及的范围。对于SiGe器件，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，虽然其性能不如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器件和电路主要生产商有IBM公司、SiGe半导体公司、Sanford Mcrodevices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