HBT异质结双极型晶体管.ppt

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1、5 异质结双极型晶体管 (HBT) 本章内容 2 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 5.1 HBT的理论基础 3 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 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 5

2、.1 HBT的理论基础 4 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。 5.2 HBT的制作方法和结构 5 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

3、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。 1、 HBT的制作方法 5.2 HBT的制作方法和结构 6 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。 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

4、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。 5.2 HBT的制作方法和结构 7 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

5、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。 5.2 HBT的制作方法和结构 8 2、 HBT的结构 AlGaAs/GaAs HBT的结构及各层掺杂浓度的分布 5.2 HBT的制作方法和结构 9 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。

6、 （ 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。 5.2 HBT的制作方法和结构 10 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。 5.2 HBT的制作方法和结构 11 3、 HBT

7、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 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。 5.2 HBT的制作方法和结构 12 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

8、分渐变 ,保证 HBT的电流增益 .对 于突变结 HBT,选择大的的发射结材料组合 Tf 与基区的渡越时间有关 BBB DW 2/2 qkTD 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 3、 HBT的结构设计 基区设计： 5.2 HBT的制作方法和结构 3、 HBT的结构设计 集电区设计： = C /2Vs+ c( + ) 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 ,收集 区采用较低掺杂浓度。 5.2 HBT的制作方法和结构

9、 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 1019 -3 收集区的浓度为 1016 -3 的欧姆接触区浓度要大于 1018 -3 16 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、

10、 缓变基区结构（ 4）突变发射结、缓变基区结构 以 n-p-n型 AlGaAs/GaAs HBT为例，分别讨论各典型结构 HBT性 能。 17 5.3典型结构 HBT的性能 1、 突变发射结 HBT 通过改变异质发射结的组分来 实现，其重要特点是发射结两边 的导带底存在一个能带突变量 EC，阻碍电子从发射区流到基 区，降低了发射结的注入效率。 但在高速工作时，注入基区的电 子速度较高，电子渡越基区的时 间 B将变短，则特征频率 fT 升高 。 突变发射结 HBT能带图 18 5.3典型结构 HBT的性能 为 了提高 HBT的电流增益 ,在几十纳米的距离上改变合金材料的组 分比例将得到一个缓变异

11、质结。例如 AlxGa1-xAs，如果组分比例 x从 某一组分下降到零，则禁带将从较大的宽度缓变到 GaAs的禁带宽度 ，电子亲和能则具有相反的变化趋势。 放大状态下，基极电流来自三个方面：发射势垒中的复合电流 jer、 基区内复合而必须补偿空穴损失的电流 jbr 和基区向发射区注入的空穴 电流 jep；集电极电流主要来自发射极注入并穿过基区的电流 jcn。 2、缓变发射结 HBT 19 5.3典型结构 HBT的性能 2、缓变发射结 HBT 缓变发射结 HBT热平衡状态下能带图和放大工作状态下能带图 20 5.3典型结构 HBT的性能 2、缓变发射结 HBT 共发射极电流增益可表示为： p n

12、FE EpBrEr CnFE j jh jjj jh ( ma x ) 根据晶体管理论： kTqVnbEn nevqNj / kTqVpeBp pevqNj / 所以 kT E pe nb B E FE g e v v N Nh ( m a x ) 式中 NE、 NB分别为发射极区和基区掺杂浓度， vnb为基区靠近发 射结处的电子平均速度， vpe为发射区靠近基区一侧的空穴平均速度， qVn、 qVp分别为电子势垒和空穴势垒的高度。 21 5.3典型结构 HBT的性能 2、缓变发射结 HBT 表征高频和开关性能的参数 特征频率 fT，由四个时间常数决定： 式中， E为发射结电容充放电时间， B

13、为渡越基区时间， C 为集电极电容充放电时间， x为集电结耗尽层信号延迟时间。 对小信号情况，影响 fT的主要因素是 E 和 B。 HBT的发射区掺 杂浓度可以做的很低，则 Ce小，从而 E很小， fT很高。 )(2 1 xCBE Tf 22 5.3典型结构 HBT的性能 基区使用宽带隙材料，通过改变材料组分比例控制基区中带宽缓变 ，使之导带建立能带梯度 Egb也是很有意义的。对缓变基区结构的 HBT，需要考虑基区内部漂移电场 E的作用。设基区两端带隙之差为 Egb，则有 HBT中基区宽度 WB往往做的很薄（约 0.1m），因此漂移电场 V可 以很大（ BJT的漂移电场一般 2 6kV/cm，

14、 HBT中可达 20kV/cm），用 这内建电场加速电子，能大大缩短基区输运时间。当 Egb=0.2eV时 ，由于漂移电场的作用，将使电子渡越基区时间缩短 4倍，使器件频 率、开关和放大性能都有明显改善。显然可使器件频率，开关和放大 性能都有明显改善。能带图如图所示。 3、缓变发射结、缓变基区 HBT 23 5.3典型结构 HBT的性能 3、缓变发射结、缓变基区 HBT 缓变发射结、缓变基区 HBT能带图 24 5.3典型结构 HBT的性能 和缓变发射结、缓变基区器件 类似，但是此结构 HBT需要考虑两 个因素对注入到基区的电子的影响 ，其一是 EC使电子的初速度增 大，其二是 Egb使电子产

15、生速度 过冲效应。 4、突变发射结、缓变基区 HBT 突变发射结、缓变基区 HBT能带图 25 GaAsHBT存在的主要问题 ： 目前单品直径还不能做得很大，机械强度不好，容易碎片；热导率低 ，只有硅材料的三分之一。 工艺上与 Si工艺不相容，电路的成本高 SiGeHBT的应用展望： 高频、高速、光电、低温等器件及集成电路 5.4 HBT应用展望 26 5.4 HBT应用展望 1、 SiGe HBT的发展 1986年，用 UHV/CVD技术， SiGe器件 1987年 ,第一个器件性能的 SiGeHBT 1988 年，用 MBE方法生长 SiGeHBT 1989年， UHV/CVD技术 SiG

16、eHBT，基区 Ge组分渐变，多晶发射极 的 SiGeHBT 1990年 fT=75GHz,SiGeHBT 1992, SiGeHBT CMOS工艺 1994商用化产品 1998 德国 TEMIC 工业化的 SiGeHBT 工艺。 IBM(Blue Logic BiCMOS 5HP工艺（ SiGeHBT和 3.3V0.5umCMOS结合。 27 5.4 HBT应用展望 2、 SiGe HBT的特点 Si Ge有 具有异质结结构 在工艺上与 Si器件相容 具有 Si器件的“低成本” , 具有异质结结构的“高性能”。 很多人认为 Si Ge不仅可以在高频领域战胜 Si,而且可以在低成本方面 战胜

17、GaAs 28 5.4 HBT应用展望 3、 SiGe/Si异质结 SiGe/Si异质结特点： 结构特性可以大大提高晶格匹配，载流子的迁移率、载流子的饱 和速度以及二维载流子气浓度。 SiGe/Si HBT的应用展望： 高频、高速、光电、低温等器件及集成电路。 29 5.4 HBT应用展望 4、 SiGe/Si异质结器件应用 运于 PMOS器件 用于 MODFET或 HEMT 用于光电子器件 制作双稳态 SiGe/Si隧道二极管 制作电荷注入晶体管 制作谐振腔有机场致发光器件 制作光晶闸管 30 5.4 HBT应用展望 5、总结 SiGeHBT 器件 SiGeHBT中 ,基区材料的带隙小于发射

18、区 ， 发射区不必重掺杂 ,基区 则可以重掺杂 。 基区电阻小 、 噪声低 、 注入效率高 ,可降低发射结的隧道效应 、 穿通 效应和电容 。 基区可以做得很薄 ,能缩短渡越时间 ,提高频率响应 。 同常规的 SiBJT器件相比 , SiGeHBT具有传输时间短 、 截止频率高 、 电流增益大以及 低温特性好等优点 。 31 5.4 HBT应用展望 6、小结 32 5.4 HBT应用展望 7、展望 SiGeHBT 低功耗和更高的开关速度； 在 LF RF频段很低的噪声系数； 许多设计原来仅用 GaAs技术 实现利用 SiGe与 Si工艺兼容的特点可能 导致全新的设计； SiGe集成技术维系了 Si工艺巨大的经济性。