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, 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）。Eg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Eg0、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Eg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: 参数Si双极SiGe HBTGeAs FETGeAs HEMTGaAs HBT增益一般优良优良优良优良功率密度优良优良一般好优良效率一般优良好优良优良优值好优良好好优良击穿电压好好优良优良优良单电源供电是否否是最近几年，除GaAs基的HBT已达到了相当好的速度，如=170GHZ以外，InP基的HBT发展也很快，其最好的器件及已超过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8CMOS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值。 InGaAs的能带隙比Si和GaAs的窄，可以制造有低开启电压（VBE）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1.3m 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/GaAsHBT2，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。图3.1单异质结HBT的平衡能带图图3.2 Si双极晶体管的平衡能带图HBT的发射极采用宽禁带材料，基极和集电极采用窄禁带材料。由于发射极材料和基极材料的禁带宽度不同，HBT在异质界面处存在导带不连续和价带不连续。价带不连续阻挡基区空穴向发射区反向注入，所以HBT的电子注入效率和电流增益大大提高。GaInP/GaAs HBT的电流增益可以达到320，而典型掺杂的Si双极晶体管的电流增益小于100。HBT主要使用化合物材料，与Si相比，化合物材料具有更大的禁带宽度和更高的电子迁移率与电子饱和速率。因此HBT具有很高的开关速度和截止频率。典型掺杂的InGaAs/InP HBT的截止频率可以达到170GHz。而且HBT集电区材料的禁带宽度大，可以提高反向击穿电压，从而增大输出功率。由于价带不连续阻挡基区空穴反向注入，在基区的掺杂浓度很高时，HBT仍然能够保持很高的电流增益。因此可以提高基区的掺杂浓度，而降低发射极的掺杂浓度。典型HBT的基区掺杂浓度在1019cm-3量级，发射区掺杂浓度在1017cm-3量级。这样的掺杂特点与Si双极晶体管正好相反，为了保持电流增益，Si双极晶体管的基区掺杂浓度一般在1017-1018cm-3量级，发射区掺杂浓度一般在1020 cm-3。量级。基区高掺杂和发射区低掺杂的特点可以进一步完善和提高HBT的性能。基区掺杂浓度升高可以大大减小基区电阻，从而提高HBT的开关速度和最高振荡频率。而且基区高掺杂可以减弱基区宽度调制效应，降低谐波失真。同时HBT的基区很薄，可以减少电子的渡越时间，从而进一步提高HBT的开关速度和最高振荡频率。发射极掺杂浓度降低可以减小单位面积的结电容，从而降低HBT的噪声，而且使倒装的平面关成为可能。倒装结构的优点是：减小集电极面积为正常的1/3，结电容降为1/3，可以提高HBT的开关速度和最高振荡频率。可以减少集电极引线的电容，提高HBT的频率性能。总之，由HBT的材料特性和结构特点决定，与Si双极晶体管相比，HBT具有高的开关速度、高的截止频率、高的电流增益和高的输出功率。4 HBT的电流传输原理HBT的导带不连续和价带不连续影响电子电流和空穴电流在晶体管中的传输，导带不连续阻挡发射区的电子向基区注入，价带不连续阻碍空穴由基区向发射区注入。电子和空穴在异质界面处遇到的势垒不同，电子遇到的势垒为，空穴遇到的势垒为，空穴势垒比电子势垒高出很多(是P-N结电势差)，所以异质结电流主要是电子电流，空穴电流很小。流经异质界而的电子电流，空穴电流和异质结注入效率可以分别表示为： (1) (2) (3)式中，和分别是电子和空穴的扩散系数，和分是电子及空穴的扩散长度，和分别是异质界面两侧的掺杂浓度，、分别是异质界面两侧少子的耗尽长度。如果取和为0，上面的公式就变为同质结电流和注入效率的表达式。从式3可知，由于异质界面处存在价带不连续，即使基区的掺杂浓度很高，HBT仍然可以保持很高的注入效率，而且价带不连续越大，电子注入效率越高。在电子电流由发射区经过基区向集电区注入的过程中，电子与空穴发生复合，形成复合电流。图3给出HBT的电流传输模型。模型中的各电流分量分别为：基区少子电流、基区空穴反向注入电流、E-B结空间电荷区的复合电流和集电区电流、基区表面复合电流、异质界面的复合电流、准中性基区的符合电流和集电区电流。E-B结空间电荷区的复合电流包括()和()。考虑复合电流的影响后，发射极电流、基极电流、集电极电流分别为： (4)(5)(6)基区材料表面存在大量的界面态，当电流留到基区表面时，发生电子-空穴复合，并形成复合电流。复合电流是影响小电流增益的主要电流分量。图3 HBT的电流传输原理5 HBT的主要性能参数HBT的主要性能指标有：I-V输出特性、偏移电压、反向击穿电压、电流增益和截止频率。I-V输出特性图4给出单异质结HBT和双异质结HBT(DHBT)的I-V输出曲线。双异质结HBT的集电极导带峰阻挡电子电流由基区向集电区注入，使I-V输出特性变差。而单异质结HBT的集电区材利和基区材料相同，集电极不存在导带峰，所以I-V输出特性良好。图4 SHBT和DHBT的I-V输出特性曲线I-V输出特性变差会减少DHBT的电压输出范围(饱和电压与反向击穿电压之间的范围)，并降低最大输出功率。为改善I-V输出特性，DHBT常采用复合集电板结构，即在集电极加入N+层。N+层可以降低集电极的导带峰，并改善DHBT的I-V输出特性。但是采用复合集电极时，DHBT的寄生电阻和电容增大，频率性能降低。BC结反向击穿电压B-C结的反向电压击穿由雪崩效应引起，分为“硬击穿，和“软击穿”两种情况。室温时发生“硬击穿”，在“硬击穿发生前B-C结反向漏电流几乎保持不变，而一旦击穿发生，B-C结反向漏电流随反向偏压的提高以指数形式迅速上升。“软击穿”发生在高温时，B-C漏电流在发生“软击穿”前就开始增大，并在击穿发生后快速上升，但上升速度要小于发生硬击穿时的速度。雪崩击穿时的电流可表示为： (7)式中k是拟和参数，是未发生击穿时的集电极电流，M是雪崩倍增因子，与B-C结反向偏压和材料结构参数有关。反向击穿电压与集电区利料禁带宽度成正比，为提高反向击穿电压，HBT可以选用宽禁带的材料系统或采用双异质结构。开启电压 开启电压是指HBT集电极电流由零开始增大时C-E结的偏压。图5给出DHBT开肩电压的示意图。与单异质结HBT的I-V输出曲线不同，DHBT的输出曲线在开肩电压与线性区起点之间还有一段集电极电流缓慢增长的区域(与之间的范围)。开启电压增大数字电路的饱和功耗，减小HBT的输出电压摆幅，并降低噪声容限。而且开启电压减小HBT的功率附加效率(PAE)，并且增大电路的工作电压和功耗。单异质结HBT和DHBT的偏移电压分别表示为： (8) (9)式中和分别是集电极与发射极的面积，是发射极有效导带峰的高度。图5 DHBT开启电压的示意图由以上的公式可知，发射极有效导带峰的高度越小，偏移电压值越低。通过合适的发射极结构，如缓变发射极结构、HEBT结构和掺杂层结构等，可以降低或完全消除发射极的导带峰。降低开启电压的另一个方法是减小集电极面积与发射极面积的比值，当面积比值为1时，开启电压降至最低。但是由HBT的器件结构决定，与不可能做到完全相等，所以面积不相等对开启电压的影响不可能被完全消除。电流增益 电流增益越大，电路中不必要的功耗就越小。HBT的电流增益表示为： (10)基极电流由空间电荷区的复合电流与基区体复合电流构成。基极电流的各电流分量越小，电流增益越高。通过选取合适的材利结构参数，可以有效减小复合电流并提高电流增益，例如，减小基区厚度可以降低基区体复合电流。另外，钝化处理可以减小基区表面的复合电流并提高HBT的小电流增益。截止频率 截止频率疗是指HBT在共发射偏置时使电流增益为1的频率。除了截止频率，最高振荡频率也经常被用到。最高振荡频率。是指HBT的功率增益为1时的频率。截止频率与HBT的掺杂浓度、寄生电阻和寄生电容有关，它们之间的关系可以表示为：(11)(12)式中，是发射极接触电阻，、和分别是发射极、集电极和基极的窜联电阻与接触电阻之和，是E-B结的结电容，是B-C结的结电容，是基区的宽度，是基区的电子扩散系数，是B-C结耗尽层的厚度，是集电极的电子饱和速度。由上面的公式可知，为提高HBT的截止频率，应当尽量减少各电极和各异质结的寄生电阻、电容。