SiGe HBT基本特性.doc

SiGe HBT基本特性 1 SiGe材料特性及发展 2直流特性 3频率特性 1 SiGe材料特性及发展 在常温下，Ge的晶格常数是0.5658nm，Si的品格常数0.5431nm，晶格失配为4.17％。这是一个比较大的晶格失配率，所以在高温处理过程中很容易发生晶格驰豫现象。但如果SiGe外延层的厚度小于临界厚度，它与Si衬底的晶格失配可以通过弹性形变来化解，而且几乎没有失配位错的形成(赝晶生长)。 图硅上赝晶生长的的临界厚度与组分的关系 图硅上赝晶生长的及无应变SiGe的能隙随合会组分变化的关系 SiGe合金的晶格常数近似可以用下式表示： SiGe合金的品格常数和禁带宽度与Ge的含量有关，通过调节Ge的含量可以改变合会的禁带宽度。 由于Si和Ge的品格常数不同，生长稳定的SiGe合会薄膜比较困难，一般用MBE和UHVCVD生长技术。虽然较高的生长温度(750)可使被吸附在衬底表面上的原子活动能力增强，有利于保证外延晶体的质量，但是温度较高时将得不到赝晶膜，而且容易形成三维的岛状晶体。用UHVCVD生长薄膜的温度在400500摄氏度之间。 利用MBE或者HV/CVD工艺外延生长SiGe薄膜作为双极晶体管的基区，可以形成双异质结晶体管(HBT)。Ge的引进导致基区禁带宽度减小，Ge含量大约每增加10％，禁带宽度减小75meV，从而在基区形成漂移电场(driftfield)，对于n管，漂移电场的存在将大大提高电子从发射区注入基区的效率，加速电子在基区的运动，从而增加电流增益，减小基区的渡越时间，提高工作频率。这就是SiGe HBTs获得很高工作频率的基本原理。 1987年IBM公司使用MBE方法生长了世界上第一个用SiGe作基区的HBT。目前SiGe技术已经相当成熟，SiGe HBT的制备技术也多种多样。 1994年A．Schuppen等人在IEEE国际电子器件会议(IEDM)上报道了双台面自对准结构的SiGe HBT，这种结构的器件发射极由10格发射条组成，每个条的面积是l×1，最高振荡频率达到120GHz，最高截止频率为32GHz。随后他们又在1995年的IEDM上报道达到160GHz的SiGe HBT，其发射极由两个发射条组成，每个条的面积为0.8×8。 日本NECE.Sato等人1992年在IEDM报道了为51GHz，为50GHz的SiGe HBT，其结构为自对准的平面结构，可以用于集成，并采用了超自对准选择性基区的生长技术。 日本的Katsuya Oda等人1997年研制出了为130GHz的SiGe HBT。其发射极由低惨杂的n型单晶Si和高惨杂的多晶Si组成，发射区面积为0.35×3.55。SiGe HBT的结构为超自对准的平面结构，并采用多晶硅发射极工艺。 IBM在2001年的IEDM上宣布制造出为207GHz，为285GHz的SiGe HBT，采用的是非自对准结构。2002年IBM宣布制造出高达350GHz的SiGe HBT。SiGe集成电路的主要产品有：分频器、压控振荡器(VCO)、低噪声放大器(LNA)、A/D转换器、D/A转换器、比较器、混频器、功率放大器、双异质结晶体管、宽带低噪声SiGe晶体管、射频低噪声放大器等。 SiGe与Si的晶格常数不同，材料问存在应变。应变引起的电子有效质量变小可以补偿应变散射引起的迁移率降低，所以材料的电特性可以保持稳定。SiGe和Si带隙差主要是价带不连续，导带不连续对电子的阻挡很小。Si/SiGe HBT工艺与现有的i集成电路工艺兼容，采用Si/SiGe工艺可以节省大量的设备投入，因此具有广阔的商业应用前景。与传统的Si双极晶体管相比，/Si HBT具有很多优点： l、截止频率高。Si HBT通过采用基区Ge含量缓变结构，可以在基区引入很强的自建场，并大幅降低基区电子的渡越时间，进一步提高频率。Si HBT的截止频率可以达到115Hz。 2、基区掺杂浓度高。高的基区掺杂浓度可以减小基区电阻，降低Jotmoson噪声，减小电流的集边效应。 3、Early电压高。/Si HBT的品质因数(电流增益与Early电压的比值)是Si晶体管的20100倍。 4、基区穿通电压高。 图1 缓变基区SiGe HBT与Si能带图 从缓变基区SiGe HBT能带图可以看出，SiGe HBT的基区禁带宽度随Ge含量的增加面减小(图l的虚线)。由于能带的变化，在基区形成加速电场，减小了载流子基区渡越时间。 禁带变化量为： 其中=18meV， =1017cm。，=87×103eV，y(x)是基区Ge分布。基极电流密度()主要由发射区结构决定，所以对于SiGe HBT和Si BJT，基区电流密度差别不大。而集电极电流密度()主要由基区结构决定。由于Ge的引入，使得EB结电子的注入势垒变小，对于一定的EB