【摘 要】對于SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管器件的設(shè)計(jì)來說，最重要的就是對它的基區(qū)如何設(shè)計(jì)，基區(qū)設(shè)計(jì)的不同也是SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管性能優(yōu)于一般Si雙極晶體管的根本所在，而且不同的設(shè)計(jì)方法會造成器件的性能的巨大差別，本文主要介紹了它的雜質(zhì)分布、基區(qū)寬度、Ge組分的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】SiGe;異質(zhì);基區(qū);設(shè)計(jì)

0.引言

隨著現(xiàn)代移動通信以及微波通信的發(fā)展，人們對半導(dǎo)體器件的高頻以及低噪聲等性能要求日益提高。傳統(tǒng)的硅材料器件已經(jīng)無法滿足這些性能上新的要求， 而GaAs器件雖然可以滿足這些性能，不過它的高成本也讓人望而卻步。鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的高頻以及噪聲性能大大優(yōu)于硅雙極晶體管，可媲美GaAs器件，而且它還可以與傳統(tǒng)的硅工藝兼容，大大降低制造成本，所以鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管在未來的移動通信等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。本文主要介紹了SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管基區(qū)的設(shè)計(jì)。

1.基區(qū)雜質(zhì)分布設(shè)計(jì)

SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管與Si雙極晶體管相比，由于EB結(jié)間存在價帶突變量△EV，電流增益β不再主要由發(fā)射區(qū)和基區(qū)雜質(zhì)濃度比來決定，這給HBT的設(shè)計(jì)帶來了更大的自由度。為減小基區(qū)電阻和防止低溫下載流子的凍析，可增加基區(qū)的雜質(zhì)摻雜濃度Nb，基區(qū)雜質(zhì)摻雜濃度Nb越高，它的摻雜濃度向低摻雜發(fā)射區(qū)遞減的斜率也就越大，從而產(chǎn)生減速場，因此SiGe HBT在基區(qū)制作時應(yīng)該盡量讓EB結(jié)為突變結(jié)以避免額外的減速場，所以為了達(dá)到渡越時間最短，理想的基區(qū)摻雜濃度是讓它的峰值正好在EB結(jié)上，而且按指數(shù)規(guī)律向集電區(qū)遞減，這樣可以產(chǎn)生一個恒定的加速場。

在常溫下，在基區(qū)生長過程中如果采用基區(qū)雜質(zhì)緩變分布，對基區(qū)摻雜濃度沿著集電區(qū)到發(fā)射區(qū)方向遞增生長，則從發(fā)射區(qū)側(cè)到集電區(qū)方向雜質(zhì)濃度會逐漸減少，形成一個由摻雜效應(yīng)引起的內(nèi)加速場，提高基區(qū)電流理想因子η，減小基區(qū)渡越時間τb，提高器件特征頻率fT。比如，當(dāng)基區(qū)摻雜濃度由發(fā)射區(qū)側(cè)的5×1019cm-3降低到集電區(qū)側(cè)的1×1017cm-3時，就會產(chǎn)生大約80meV的導(dǎo)帶變化，相當(dāng)于增加12％的Ge組分所產(chǎn)生的加速場。但如果HBT基區(qū)重?fù)诫s，考慮到重?fù)诫s禁帶窄變(BGN)效應(yīng)的影響后這種改善將被大大削弱。

而在溫度在77K時，如果想通過基區(qū)雜質(zhì)緩變來減少τb，其雜質(zhì)分布應(yīng)是從發(fā)射區(qū)側(cè)到集電區(qū)側(cè)逐漸上升，這正好和在常溫下的器件特性相反。在Wb較小時，增加Nb，可防止基區(qū)的穿通。基區(qū)Nb的增大除了使Dn減小外還存在著一些其它的不利影響，如當(dāng)Nb較大時，在HBT的制備過程中基區(qū)的雜質(zhì)極易向外擴(kuò)散，使Si/SiGe異質(zhì)結(jié)和n-p+結(jié)不再完全重合，導(dǎo)致器件特性的退化[1-2]。同時，高Nb也易使EB結(jié)隧穿電流增大，導(dǎo)致基區(qū)復(fù)合電流增大，基區(qū)電流理想因子η大于1，在低溫下η遠(yuǎn)大于1，也易使GBE增大，BVEBO下降。因此，Nb應(yīng)根據(jù)對器件的要求和所采用的工藝合理選擇，同時還應(yīng)結(jié)合發(fā)射區(qū)摻雜濃度綜合考慮。但是如果一味提高發(fā)射區(qū)的摻雜濃度，就會在發(fā)射結(jié)處形成一個隧道結(jié)，導(dǎo)致了漏電流的增大，反而會減小注入比，并導(dǎo)致器件特性的破壞。加大發(fā)射區(qū)摻雜濃度的另一個不利因素是使發(fā)射結(jié)結(jié)電容加大，導(dǎo)致了開關(guān)晶體管時的電荷抽取時間增大，致使截止頻率下降。因此發(fā)射區(qū)的摻雜濃度不宜太大，一般來說，SiGe HBT的基區(qū)的摻雜濃度要比發(fā)射區(qū)的摻雜濃度高出約兩個量級，在1017-1018cm-3數(shù)量級為宜，并且發(fā)射區(qū)的寬度也不能太寬，以便降低發(fā)射區(qū)的體電阻。我們一般在仿真中設(shè)計(jì)發(fā)射區(qū)寬度為1000。

2.基區(qū)寬度設(shè)計(jì)

在晶體管器件中基區(qū)寬度Wb對特征頻率fT的影響是很大的，基區(qū)寬度Wb越小，基區(qū)渡越時間τb就越小，相應(yīng)地特征頻率fT就越大。但是基區(qū)寬度Wb過小就會使基區(qū)電阻Rb增大，導(dǎo)致最高震蕩頻率fmax減小。而且薄的基區(qū)相當(dāng)容易被穿透，嚴(yán)重影響晶體管的性能。而為防止基區(qū)穿透就必須增大Nb，Nb過大帶來的問題上文已有討論。提高fT和減小Rb的要求是互相矛盾的，所以在設(shè)計(jì)中要根據(jù)對fT和fmax的要求來折衷考慮設(shè)計(jì)Wb，同時還要考慮到應(yīng)變SiGe層臨界厚度的限制。

3.基區(qū)Ge組分的設(shè)計(jì)

對Si1-xGex合金基區(qū)來說，Ge組分x越大，EB結(jié)處價帶的突變量就越大，這有利于改善器件的頻率特性，增大厄利(Early)電壓VA，提高電流增益β，故增大基區(qū)Ge組分對提高器件的性能非常有利，但要由于Si和Ge之間存在較大的晶格失配，所以考慮到臨界厚度的限制，能夠允許的Ge的最高組分卻是有限的，一般人們在10％～30％之間設(shè)定Ge的含量。而且Ge的分布形式不同，對器件性能也有很大的影響，目前SiGe合金基區(qū)中Ge的含量分布形式主要有三種：矩形，三角和梯形。

矩形結(jié)構(gòu)以德國TEMIC公司Daimler-Benz研究中心采用的DBAG結(jié)構(gòu)為代表，對Ge均勻分布的基區(qū)來說，特別適于要同時保持低基區(qū)電阻和一定電流增益的晶體管。而IBM公司則選擇了三角結(jié)構(gòu)。另外也有人提出了在基區(qū)生長過程中將Ge組分沿發(fā)射區(qū)到集電區(qū)遞增式生長的梯形結(jié)構(gòu)來提高異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的特征頻率fT。

4.小結(jié)

本文介紹了SiGe異質(zhì)雙極晶體管基區(qū)的設(shè)計(jì)，主要介紹了基區(qū)的雜質(zhì)如何分布、基區(qū)寬度、Ge組分如何設(shè)計(jì)。為SiGe異質(zhì)雙極晶體管器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

［１］E J Prinz，P M Garone，P V Schwartz.The Effects of Base Dopant Outdiffusion and Undoped SiGe Junction Spacers in Si/SiGe/Si HBTs.IEEE Trans 1991，12(2):42-45.

［２］J W Slotboom，G Streucker，A Pruijmboom.Parasitic Energy Barriers in SiGe HBTs.IEEE Tran.1991，12(9):486-488.