异质结双极型晶体管HBT研究背景及简介

异质结双极型晶体管HBT研究背景及简介

1 HBT概述

2 HBT的发展

3 HBT的特点

4 HBT的电流传输原理

5 HBT的主要性能参数

电子信息材料产业的技术水平和发展规模，已经成为衡量一个国家经济发展状况、科技进步和国防实力的重要标志。上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明以及硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并使人类进入了信息时代。而超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，则彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。

第一代半导体材料以硅为代表。硅是目前为止人们认识最全面、制造工艺水平最高的半导体材料。第二代半导体材料以低位错密度的垂直梯度凝固法(VGF)和水平(HB)方法生长的导电GaAs衬底材料为主。第三代半导体材料以宽禁带半导体材料为代表。其中GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。但是无论是从异质结材料体系设计和生长，器件性能提升，还是器件模型和模拟平台的建立上而言都还处于起步阶段，远未成熟，这其中既有大量的技术问题需要攻关，同时也有大量的基础科学问题亟待解决。

1 HBT概述

异质结双极晶体管（Hetero-junction Bipolar Transistor,简称(HBT)基区(base)异质结SiGe外延(图1)：其原理是在基区掺入Ge组分，通过减小能带宽度,从而使基区少子从发射区到基区跨越的势垒高度降低，从而提高发射效率γ, 因而，很大程度上提高了电流放大系数 。在满足一定的放大系数的前提下，基区可以重掺杂，并且可以做得较薄，这样就减少了载流子的基区渡越时间，从而提高器件的截止频率(Cut-Off Frequency)，这正是异质结在超高速，超高频器件中的优势所在。

异质结双极晶体管HBT(Heterojunction Bipolor Transistar)是指发射区、基区和集电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。这就大大地增加了晶体管设计的灵活性。

图1 加偏后NPN型GaAlAs/GaAs晶体管的能带图

异质结双极晶体管是纵向结构的三端器件，发射区采用轻掺杂的宽带隙半导体材料（如GaAs、InP），基区采用重掺杂的窄带隙材料（如AlGaAs、InGaAs）。ΔEg的存在允许基区比发射区有更高的掺杂浓度，因而可以降低基极电阻，减小发射极－基极电容，从而能得到高频、高速、低噪声的性能特点。由于ΔEg>0、并且有一定的范围，所以电流增益也很高，一般直流增益均可做到60以上。特别值得指出的是，用InGaAs作基区，除了能得到更高的电子迁移率外，还有较低的发射极－基极开启电压和较好的噪声特性。它的阈值电压严格的由ΔEg决定，与普通的FET的阈值电压由其沟道掺杂浓度和厚度决定相比容易控制、偏差小且易于大规模集成。这也是HBT重要的特点。HBT的能带间隙在一定范围内可以任意地进行设计。

异质结双极晶体管的结构特点是具有宽带隙的发射区，大大提高了发射结的载流子注入效率。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，但它特别适合在低相位噪声振荡器、高效率功率放大器、宽带放大器中应用。

下表是RF IC的几种工艺的性能比较:

最近几年，除GaAs 基的HBT 已达到了相当好的速度，如T f =170GHZ 以外，

InP 基的HBT 发展也很快，其最好的器件T f 及max f 已超过200GHz ，SiGe HBT 则是近年来人们十分重视的器件；主要原因是硅的VLSI 发展已很成熟，SiGe HBT 可以借用VLSI 的工艺较快用到微电子领域。近几年已有报导采用商用的超高真空CVD(UHVCD)设备在8″CMOS 线上制作的SiGe 外延材料制作的HBT ，形成12位数模转换器，其工作速度达1GHz ，比硅器件要快很多，而功耗延迟乘积也优于已实用的三五族化合物材料的异质结器件。典型的InGaAs/InP 单和双异质结二级型晶体管（SHBT 和DHBT ）如下图:

SHBT 和DHBT 由多种材料的化合物制成，起始于磷化铟衬底。

InGaAs/InP 是一种很重要的HBT 材料.InGaAs/InP 相比于其他材料的优点： InGaAs 中的高电子迁移率（GaAs 中的1.6倍，Si 中的9倍）。瞬时电子过冲的程度也比GaAs 中的大。所以可以得到较高的T f 值。

InGaAs的能带隙比Si和GaAs的窄，可以制造有低开启电压（V BE）和低功率耗散的磷化铟HBT。

对于给定的掺杂级，磷化铟有较高的击穿电场。

InGaAs表面的复合速度（103cms-1）比GaAs表面的（106cms-1）小得多。减小了发射极周围由表面复合速度引起基极电流。

比GaAs高的衬底导热率（0.7vs0.46Wcm/K）。

这种器件与光源和1.3μm 波长辐射的光电探测器直接兼容，相当于基于Si 的光纤中的最低色散波长。所以它对OEIC集成很有用。

2 HBT的发展

异质结的概念最早于1951年由Shockley首先提出[1]，随后被不断发展，1957年Kroemer对异质结原理作了系统的阐述。Kroemer指出宽禁带的发射极能够有效阻挡基区空穴反方向注入，并提高电子注入效率和电流增益。但是由于材料生长技术相对滞后，直到1972年才由Dumke等人利用液相外延技术制备出笫一个AlGaAs/GaAsHBT[2]，到1980年，HBT的截止频率可以达到1GHz。此后，MBE、MOVCD等材料生长技术不断完善和进步，HBT的理论和实验研究取得了快速发展。各种新的材料系统使HBT的性能不断提高。例如，InGaAs/lnPHBT的截止频率可以达到200GHz，AlGalnP/GaAs HBT可以实现高温(3000c)条件下保持恒定的电流增益。新材料结构不断被提出，进一步提高了HBT的性能。例如，缓变发射极结构可以完全消除AIGaAs/GaAs HBT的发射极导带峰，从而降低开启电压。而复合集电极结构可以保持双异质结HBT(DHBT)的反向击穿电压。并改善I-V输出特性，从而提高DHBT的输出功率。总之，随着材料生长技术和HBT理论快速发展，HBT的性能不断提高，并被广泛应用在功率放大、微波与毫米波和光纤通讯等电路系统中。

3 HBT的特点

异质结双极晶体管（HBT）的特点是具有宽带隙的发射区，能大大提高发射结的载流子注入效率，降低基区串联电阻，其优越的性能包括高速、大功率、低噪声、线性度好、单电源工作等，广泛应用于微波毫米波电路、高速数字电路、模/数转换器、光通信及移动通信等领域。

HBT与Si双极晶体管的工作原理相同，但是在材料系统和掺杂特点方面有很大差别。图3.1和图3.2分别给出HBT和Si双极晶体管的能带结构示意图。