第五章HBT异质结双极型晶体管-PPT精选文档

发射区掺杂浓度为1017cm-3 基区掺杂浓度在1018—1019ｃｍ-3 收集区的浓度为1016ｃｍ-3
ＥＣ的欧姆接触区浓度要大于1018ｃｍ-3
5.3典型结构HBT的性能
异质结双极性二极管（HBT）的能带间隙在一定范围内可以任意 设计。 从这器件各区带隙宽度变化角度考虑 ，可以考虑如下几种情况： (1)宽带隙发射区结构 (2)缓变基区结构 (3)宽带隙集电区结构 (4) 缓变集电区结构 从器件高速性能设计角度考虑，HBT有代表性的四种结构为： （1）突变发射结结构（2）缓变发射结结构（3）缓变发射结、 缓变基区结构（4）突变发射结、缓变基区结构
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5.2 HBT的制作方法和结构
2、 HBT的结构
AlGaAs/GaAs HBT的结构及各层掺杂浓度的分布
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5.2 HBT的制作方法和结构
2、 HBT的结构
常见的HBT包括： （1）AlGaAs/GaAs HBT 发射区采用AlxGa1-xAs材料，Al组 分x选择在0.25左右（高于此值时n型AlGaAs中出现深能级使发射 结电容增加）。 特点：AlGaAs/GaAs体系具有良好的晶格匹配，采用半绝 缘衬低，器件之间容易隔离和互连。 （2）InGaAs HBT 基区采用InGaAs材料，InP或InAlAs作为发 射区材料。这类器件的半绝缘衬底采用掺Fe的InP， 特点：InGaAs中的电子迁移率很高，本征材料中其电子迁 移率是GaAs材料的1.6倍。
5 异质结双极型晶体管(HBT)
本章内容
• • • • 1.HBT的理论基础 2.HBT的制作方法与结构 3.典型结构HBT的性能 4.HBT的应用展望
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5.1 HBT的理论基础
1951年,Sຫໍສະໝຸດ Baiduhokley提出了宽禁带材料作晶体管发射结的原
理 1957 年,H.Kroemer ：若发射区材料的禁带宽度大于基区 的禁带宽度,可获得很高的注入比 1972年,Dumke利用液相外延方法制成了AlGaAs/GaAs异质 结双极晶体管 1978 年 Bell 实验室利用 MBE 获得了调制掺杂 AlGaAs/GaAs 异质结构 1980年用MBE方法制成AlGaAs/GaAs异质结双极晶体管
异质结双极性晶体管器件具有宽带隙发射区，大大提高了发射结的 载流子注入效率；基区可以高掺杂（可高达1020cm-3)，基区电阻rb可以
显著降低，从而增加 fmax ；同时基区不容易穿通，从而厚度可以做到
很薄，即不限制器件尺寸缩小；发射结浓度可以很低（约1017cm-3）, 从而发射结耗尽层电容大大减小，器件的 fT 增大。 HBT具有功率密度高、相位噪声低、线性度好等特点，在微波高效 率应用方面比MESFET 、HEMT更有优势。
于突变结HBT,选择大的的发射结材料组合
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5.2 HBT的制作方法和结构
3、 HBT的结构设计
基区设计：
f T 与基区的渡越时间有关
2 WB /2 D B B
D kT /q B
结论: 1.选择迁移率高的材料作基区 2.减少基区宽度,从而减少渡越基区时间
5.2 HBT的制作方法和结构
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5.2 HBT的制作方法和结构
2、 HBT的结构
（3）Si/SixGe1-x HBT 加入Ge可以降低Si的禁带宽度，形成可以用于
HBT基区的合金。 特点：禁带宽度差基本全部产生在△EV制作n-p-n型HBT具有很 高的注入效率；采用成熟的Si工艺，工艺简单成熟，价格便宜。
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5.2 HBT的制作方法和结构
3、 HBT的结构设计
集电区设计：
τＣ=ＷC /2Vs+Ｃc(ＲＥ+ＲＣ)
减小集电结电容:减少基区欧姆接触区面积和缩短发射区到基极接触的间距 .
自对准工艺形成基区的欧姆接触区，为保证一定的击穿电压和减少ＣＣ,收集 区采用较低掺杂浓度。
5.2 HBT的制作方法和结构
3、 HBT的结构设计
发射区、基区和集电区掺杂浓度的选择 :
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5.2 HBT的制作方法和结构
1、 HBT的制作方法
目前用于制作HBT的方法主要是外延工艺。共有三种方法：液相外延 （LPE），分子束外延（MBE），和金属有机化学气相淀积（MOCVD）。
液相外延（LPE）:利用反应物的饱和溶液或过饱溶液作为源，通过相图 的分析来控制化合物的组分比。 优点：工艺比较简单，设备便宜，外延质量好。 缺点：生产效率低，在薄膜层后的降低及其控制方面存在困难。
3、 HBT的结构设计
发射区-基区异质结的设计考虑：
HBT频率特性的提高, 依赖于减少发射结面积,减少发射区的掺杂浓度.
发射区掺杂浓度的减小虽然使发射结电容降低了,但是增加了发射区电阻,
因此,要与发射区的厚度等结合起来考虑 。 发射结大的HBT,要设法实现理想的组分渐变,保证HBT的电流增益.对
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5.2 HBT的制作方法和结构
1、 HBT的制作方法
分子束外延（MBE）:迄今最先进的外延生长方法，本质亦为真空蒸气法。但 其蒸发物是以分子束或原子束的形式运输。
特点：能保持单晶衬底晶体结构的连续性，也可在原子尺度上控制薄膜的
厚度，同时晶体的生长温度较低，原子的热扩散系数小，可防止化合物组分的偏 离以保证异质结各项参数的精确控制。
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5.1 HBT的理论基础
异质结双极晶体管（HBT）中心设计原理是利用半导体材料近代
宽度的变化及其作用于电子和空穴上的电场力来控制载流子的分布
和流动。
HBT应用于微波振荡器、低噪声放大器、功率放大器、信号混合器、
分频器、MMIC、T/R组件、全球定位系统GPS)以及微波、毫米波的军用 通信等领域。
3、 HBT的结构设计
异质结双极晶体管的材料结构设计要求：
不同材料晶格常数应尽量接近（减少在界面处产生的位错、缺陷导致
的载流子
复合要获得高增益,发射区与基区的材料组合要有大的 Δ Ev .
异质结材料的热膨胀系数的一致性 材料的禁带宽度之差，导带和价带的断续量，材料迁移率。
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5.2 HBT的制作方法和结构
MOVCD:利用蒸气压高的金属烷基化合物在氢气氛中进行热分解析出金属Al，
Ga,In等，并淀积在衬底上以生长化合物半导体单晶。并通过源化合物的相对压力 来控制合金的组分。
特点：可在大面积衬底上生长均质单晶，且衬底可以是绝缘物。
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5.2 HBT的制作方法和结构
2、 HBT的结构
异质结双极性晶体管—— Hetero junction Bipolar Transistor （HBT）