微波双极晶体管

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。
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。
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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 3．异质结双极晶体管的特点
图 3 异质结双极晶体管台面结构示意图
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目前常采用的 SiGe 台面结构的基本工艺为： ① 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。 ② 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。 ③ 光刻出集电极台面。 ④ 形成二氧化硅侧墙隔离。 ⑤ 光刻出基级和发射极接触孔，然后金属化，电镀，金属光刻。 ⑥ 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：
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β和扼制电压 VA 决定。β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。β与 VA 的乘积越大，
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输出电流对偏压的流动越迟钝，输出越稳定。β 、VA 和β VA 都与 Si 中引入 Ge 形成 SiGe 合金的带隙与 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τ������ 和发射区 渡越时间τ������ 决定。τ������ 和τ������ 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、τ������ 、β有关，当 Rb 越小、τ������ 越小、β越大，N 就越小。 SiGe HBT 中由于 Ge 的引入，降低了 Rb 和τ������ ，提高了β，从而降低了 NF。
而 SiGe HBT 的直流电流增益可以表示为： βHBT ≈ βBJT e KT
∆E g
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 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： ∆ Eg αHBT ≈e αBJT KT 可见α HBT/α 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。
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SiGe 异质结双极晶体管
半导体器件原理调研小论文
李南云 SA16173027
2016 年 12 月 3 日星期六[来自入文字]中国科学技术大学
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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。
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
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。
HBT 基本结构图
①：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)； ②：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； 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 10171 cm3)，则发射结势垒电容降低，晶体管的特征频 率 fT 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 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。
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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 = IC NE WE Dn = IB PB WB DP