异质结刘海波ppt(applicationvndmspowerpoint)

1、SiGe异质结原理异质结原理异质结的概念异质结的概念n 异质结是有两种禁带宽度不同的半导体材料组成的结，这些材料可以是GaAs化合物，也可以是Si-Ge之类的合金等。主要有PP结，PN结，NP结，NN结，按异质结中两种材料导带和价带的对准情况可以把异质结分为型异质结和型异质结两种，两种异质结的能带结构如图1所示：异质结比同质结的优点异质结比同质结的优点n1.禁带宽度可调：通过调节合金中不同禁带金属的摩尔比值，像si的禁带宽度是1.11ev,ge的禁带宽度是0.67ev,通过改变他们的比值可以改变禁带宽度.n2.电流增益大：n现在最大增益可以达到2800多n3.高频特性好n4.直流特性好n5.噪

2、声特性好SiGe的优势的优势n 随着半导体技术的不断发展， SiGe 材料以其迁移率高，禁带宽度可变的优势进入了人 们的视野。由于 SiGe HBT 与GaAs HBT 相比具有成本低的优势，而且在频率特性、直流特 性和噪声特性等性能上较 Si BJT 有着明显的优势，特别是可与成熟的Si 工艺兼容，因而 越来越受到人们的重视，逐渐成为新一代微电子器件的研究热点。sige异质结的产生异质结的产生 自从1987年Iyer，S. S. 研制出世界上第一个SiGe HBT，全世界许多著名的研究机 构和大学都开展了高性能SiGe HBT的研究，并取得了很大的进展。国内由于起步比较晚， 虽然在材料的研制

3、上取得了很大的进展，但在SiGe HBT器件和应用上还处于研究摸索阶段。Ge组分对组分对SiGe HBT主要电学特性的影响主要电学特性的影响n Ge的电子迁移率是Si的2.6倍，空穴迁移率达到Si的3.5倍。而器件的速度最终取决于在一定的电压下载流子被推动而通过器件的速度。通过对SiGe HBT的结构和工艺参数的设计，可以定向地对SiGe HBT的能带结构进行剪裁，在器件结构设计中使用Si1-xGex薄膜作基区，发射结的带隙宽度变化使电子注入基区的势垒降低，使发射效率提高，电流增益增大。n 通过对基区Ge分布的设计使得基区产生一个内建电场，减小载流子的基区渡越时间从而使fT得到提高，制成超高频

4、晶体管。因此如何通过设计器件结构和控制Ge的组分，包括对Si1-xGex合金的x值的选择和对Ge分布形状的设计，使器件获得更好的电学特性，充分发挥异质结半导体器件的特性成为这一领域研究的重点之一。 在异质结晶体管中基区采用带隙宽度较在异质结晶体管中基区采用带隙宽度较小的半导体材料，而发射区采用带隙宽度较小的半导体材料，而发射区采用带隙宽度较大的半导体材料，可以使器件获得高的发射大的半导体材料，可以使器件获得高的发射效率。通过改变异质结中两种材料的组分，效率。通过改变异质结中两种材料的组分，改变材料的结构和带隙宽度，使结的过渡渐改变材料的结构和带隙宽度，使结的过渡渐变，引起导带和价带产生能量梯度

5、，则带隙变，引起导带和价带产生能量梯度，则带隙宽度的渐变产生的等效内建电场使载流子的宽度的渐变产生的等效内建电场使载流子的渡越时间减小。对于渡越时间减小。对于SiGe HBT，通过对基区，通过对基区Ge组分的设计在基区形成内建场，减小载流组分的设计在基区形成内建场，减小载流子基区渡越时间，进一步提高器件的速度。子基区渡越时间，进一步提高器件的速度。 Si的带隙宽度为的带隙宽度为1.11 ev，Ge的带隙宽度的带隙宽度为为0.67eV，用化学气相沉积，用化学气相沉积(CVD)的方法通过的方法通过控制气体比例可以获得控制气体比例可以获得Si1-xGex合金，合金合金，合金的带隙宽度在的带隙宽度在0

6、.671.11 eV。很多晶体管参。很多晶体管参数都与能带结构有着直接的关系，而数都与能带结构有着直接的关系，而Si1-xGex合金综合了合金综合了Si和和Ge各自能带的特点，故各自能带的特点，故会对其特性有较大的改善，而且由于会对其特性有较大的改善，而且由于Si1-xGex的带隙宽度较小，适合于作的带隙宽度较小，适合于作HBT的基区的基区以提高发射效率。以提高发射效率。在两种半导体的界面上，由于存在着带隙的在两种半导体的界面上，由于存在着带隙的差异，如差异，如下下图图1所示，其能带会在导带底或价所示，其能带会在导带底或价带顶出现不连续的情况，导带底出现的势垒带顶出现不连续的情况，导带底出现的

7、势垒尖峰会阻止非平衡少数载流子尖峰会阻止非平衡少数载流子(电子电子)由发射极由发射极的注入，从而会降低发射效率的注入，从而会降低发射效率。但越过势垒。但越过势垒尖峰的电子会获得更高的能量，在基区有更尖峰的电子会获得更高的能量，在基区有更高的速度，可以改善器件的频率特性。高的速度，可以改善器件的频率特性。能带结构能带结构 但是但是对于晶体管的设计，需要在相互关对于晶体管的设计，需要在相互关联的性能因素中进行折中考虑，为了缩短基联的性能因素中进行折中考虑，为了缩短基区渡越时间提高晶体管的截止频率，需尽量区渡越时间提高晶体管的截止频率，需尽量减小基区宽度。而基区宽度减小时，器件会减小基区宽度。而基区

8、宽度减小时，器件会受到基区穿通效应的限制，在集电结耗尽层受到基区穿通效应的限制，在集电结耗尽层随反偏电压的增高和发射结耗尽层相连时随反偏电压的增高和发射结耗尽层相连时(区区宽度变为零宽度变为零)发生基区穿通。发生基区穿通。n 而耗尽层宽度受掺杂浓度影响，增加基区掺杂浓度可以减小耗尽层的厚度，防止基区穿通的发生，但是随着掺杂浓度的提高，发射效率会降低，提高了区的掺杂浓度，发射区的掺杂浓度也需相应地提高，否则会造成电流增益的下降。而SiGe HBT的基区材料带隙较窄，发射区材料带隙较宽，在进一步提高基区的掺杂浓度时不会对电流增益产生大的影响。Si1-xGex合金中的合金中的Ge组分组分(x)设计设

9、计nGe在基区的分布有三种情况：三角形分布、均匀分布和梯形分布，如图3： 在现代的双极晶体管技术中在现代的双极晶体管技术中，为了获得更为了获得更好的器件性能，在好的器件性能，在Ge分布图形设计时使用均分布图形设计时使用均匀与缓变相结合的方式，综合二者的优点，匀与缓变相结合的方式，综合二者的优点，可以使用梯形分布。对于不同的应用可以采可以使用梯形分布。对于不同的应用可以采用不同的分布来达到相应的要求，在要求精用不同的分布来达到相应的要求，在要求精度较高的领域，如精确电流源，在数度较高的领域，如精确电流源，在数-模和模模和模-数转换器中，电流增益和数转换器中，电流增益和Early电压之积就较电压之积就较为重要；而在高频应用中，如高频放大器、为重要；而在高频应用中，如高频放大器、振荡器等，最高振荡频率就更为重要。振荡器等，最高振荡频率就更为重要。Ge的基区组分对集电极电流和电的基区组分对集电极电流和电流增益流增益的影响的影响经过化简得经过化简得:如果认为如果认为Dn（x）与）与x无关则：无关则：n根据以上的分析我们设计两种si-sige-si异质结：一种是基区sige中摩尔比为0.2的情况；一种是基区sige中摩尔比为0.5的情况。n比较它们的电路曲线。摩尔比为摩尔比为0.2的异质结的异质结结构图结构图掺杂浓度曲线掺杂浓度曲线能带图能带图I