HBT异质结双极型晶体管
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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
HBT异质结双极型晶体管
3
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Hale Waihona Puke Baidu力来控制载流子的分布和 流动。
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。
HBT异质结双极型晶体管
5
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。
5 异质结双极型晶体管(HBT)
HBT异质结双极型晶体管
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
HBT异质结双极型晶体管
2
5.1 HBT的理论基础
1951年,Schokley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
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。
HBT异质结双极型晶体管
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 : 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
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。
HBT异质结双极型晶体管
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5.2 HBT的制作方法和结构
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 ΔEv . 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。
HBT异质结双极型晶体管
11
5.2 HBT的制作方法和结构
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.对于
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。
HBT异质结双极型晶体管
7
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
HBT异质结双极型晶体管
8
5.2 HBT的制作方法和结构
2、 HBT的结构
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。
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。
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。
HBT异质结双极型晶体管
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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）。
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。
HBT异质结双极型晶体管
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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：可在大面积衬底上生长均质单晶，且衬底可以是绝缘物。
HBT异质结双极型晶体管
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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）
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。
突变结HBT,选择大的的发射结材料组合
HBT异质结双极型晶体管
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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：
fT 与基区的渡越时间有关
BW2B/2DB
DBkT/q
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
HBT异质结双极型晶体管
5.2 HBT的制作方法和结构
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
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
HBT异质结双极型晶体管
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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Hale Waihona Puke Baidu力来控制载流子的分布和 流动。
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。
HBT异质结双极型晶体管
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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。
5 异质结双极型晶体管(HBT)
HBT异质结双极型晶体管
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
HBT异质结双极型晶体管
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5.1 HBT的理论基础
1951年,Schokley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
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。
HBT异质结双极型晶体管
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 : 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
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。
HBT异质结双极型晶体管
10
5.2 HBT的制作方法和结构
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 ΔEv . 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。
HBT异质结双极型晶体管
11
5.2 HBT的制作方法和结构
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.对于
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。
HBT异质结双极型晶体管
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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
HBT异质结双极型晶体管
8
5.2 HBT的制作方法和结构
2、 HBT的结构
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。
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。
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。
HBT异质结双极型晶体管
4
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）。
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。
HBT异质结双极型晶体管
9
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：可在大面积衬底上生长均质单晶，且衬底可以是绝缘物。
HBT异质结双极型晶体管
6
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）
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。
突变结HBT,选择大的的发射结材料组合
HBT异质结双极型晶体管
12
5.2 HBT的制作方法和结构
3、 HBT的结构设计
基区设计：
fT 与基区的渡越时间有关
BW2B/2DB
DBkT/q
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
HBT异质结双极型晶体管
5.2 HBT的制作方法和结构
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