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        SOI基橫向SiGe HBT高頻功率性能改善技術(shù)

        2022-12-17 09:44:08金冬月張萬(wàn)榮那偉聰楊紹萌賈曉雪劉圓圓楊瀅齊
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        金冬月, 吳 玲, 張萬(wàn)榮, 那偉聰, 楊紹萌, 賈曉雪, 劉圓圓, 楊瀅齊

        (北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部, 北京 100124)

        基于絕緣層上硅(silicon-on-insulator,SOI)技術(shù)的橫向硅鍺(SiGe)異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(heterojunction bipolar transistor,HBT)具有寄生電容小、功耗低、抗輻照能力強(qiáng)、信號(hào)串?dāng)_低等優(yōu)勢(shì)[1-2],并與成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)工藝相兼容且電流驅(qū)動(dòng)能力遠(yuǎn)高于CMOS器件[3-4],將在微波通信和高速混合信號(hào)應(yīng)用中扮演越來(lái)越重要的角色[5-7].

        與傳統(tǒng)的縱向SiGe HBT相比,SOI基橫向SiGe HBT具有對(duì)稱的高摻雜發(fā)射區(qū)和高摻雜集電區(qū)結(jié)構(gòu),可有效避免基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)的影響[8-10],同時(shí),通過(guò)不斷縮小和優(yōu)化器件尺寸,特征頻率fT可高達(dá)THz[11]. 此時(shí),如何使得器件在較高的工作頻率和較寬的偏置電流范圍內(nèi)保持較大的電流增益β,對(duì)于改善SOI基橫向SiGe HBT高頻功率性能變得十分重要. 特別是橫向器件特征尺寸縮小至nm量級(jí)以及高摻雜集電區(qū)的引入,都將降低擊穿電壓及器件在電路中的功率性能[12]. 因此,本文重點(diǎn)對(duì)SOI基橫向SiGe HBT的高頻功率性能改善技術(shù)展開(kāi)研究,通過(guò)優(yōu)化基區(qū)Ge的摩爾分?jǐn)?shù)x(Ge)的梯形分布和復(fù)合襯底偏壓結(jié)構(gòu),最終設(shè)計(jì)出兼具高頻、大電流增益和高擊穿電壓的SOI基橫向SiGe HBT.

        1 器件建模

        本文利用商業(yè)半導(dǎo)體仿真工具SILVACO TCAD的二維器件仿真器ATLAS建立了SOI基橫向SiGe HBT器件模型,如圖1所示. 該模型發(fā)射區(qū)寬度WE、基區(qū)寬度WB和集電區(qū)寬度WC均為30 nm,有源區(qū)厚度TSi、埋氧層厚度TBox和襯底厚度TSub均為20 nm. 基區(qū)摻雜原子濃度為1×1019/cm3,基區(qū)x(Ge)為20%,集電區(qū)和發(fā)射區(qū)摻雜原子濃度為 2×1020/cm3,外基區(qū)摻雜原子濃度為5×1019/cm3,詳細(xì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

        圖1 SOI基橫向SiGe HBT器件模型Fig.1 Device model of the SOI-based lateral SiGe HBT

        表1 SOI基橫向SiGe HBT的結(jié)構(gòu)參數(shù)

        進(jìn)一步利用二維器件仿真器ATLAS對(duì)器件的特性進(jìn)行仿真,其中加入了遷移率受雜質(zhì)影響模型、遷移率受電場(chǎng)影響模型、與溫度有關(guān)的遷移率模型、禁帶變窄模型[13]和俄歇復(fù)合模型,同時(shí)還加入了碰撞電離模型[14].

        本文通過(guò)模擬得到了SOI基Si同質(zhì)結(jié)橫向雙極晶體管的輸出特性曲線,并與文獻(xiàn)[15]中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析,如圖2所示. 圖中:IC為集電極電流;IB為基極電流;VCE為集電極- 發(fā)射極電壓. 從圖中可以看出,仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的一致性,從而驗(yàn)證了SILVACO TCAD仿真過(guò)程中所使用物理模型的正確性.

        圖2 SOI基橫向雙極晶體管輸出特性實(shí)測(cè)結(jié)果和 模擬結(jié)果的對(duì)比Fig.2 Comparison of measured and simulated results of output characteristics of SOI-based lateral bipolar transistor

        2 性能改善技術(shù)研究

        基于上述器件模型,分別從β和擊穿電壓VCBO、VCEO方面研究基區(qū)x(Ge)的梯形分布設(shè)計(jì)和襯底偏壓結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)SOI基橫向SiGe HBT高頻功率性能的影響.

        2.1 基區(qū)x(Ge)的梯形分布設(shè)計(jì)

        與基區(qū)x(Ge)的均勻分布相比,基區(qū)x(Ge)的梯形分布設(shè)計(jì)[11]可以引入漂移加速場(chǎng),幫助少數(shù)載流子快速通過(guò)基區(qū),增加電子向基區(qū)的注入,從而提高器件的fT. 圖3所示為具有不同拐點(diǎn)位置的基區(qū)x(Ge)梯形分布設(shè)計(jì),其中基區(qū)x(Ge)=20%. 當(dāng)基區(qū)Ge的物質(zhì)的量一定時(shí),梯形拐點(diǎn)位置與集電結(jié)一側(cè)x(Ge)的關(guān)系為

        (1)

        式中:yi代表梯形拐點(diǎn)的位置;xi代表集電結(jié)一側(cè)的x(Ge);i=1,2,3.

        圖3 具有不同拐點(diǎn)位置的基區(qū)x(Ge)梯形分布設(shè)計(jì)Fig.3 Trapezoidal distribution design of x(Ge) in base region with different kink points

        圖4給出了不同基區(qū)x(Ge)梯形分布對(duì)器件fT的影響. 從圖中可以看出,與基區(qū)x(Ge)均勻分布的器件相比,基區(qū)x(Ge)梯形分布時(shí)器件的fT得到顯著提高. 當(dāng)xi從0.21增加到0.23時(shí),器件的峰值特征頻率fTm從277.24 GHz增加到337.37 GHz,提高了21.69%. 這主要是由于基區(qū)x(Ge)梯形分布在基區(qū)產(chǎn)生一個(gè)電子加速漂移場(chǎng),幫助載流子快速通過(guò)基區(qū),隨著梯形拐點(diǎn)位置向集電結(jié)一側(cè)靠近,加速漂移場(chǎng)也逐漸向右延伸并增大,有效基區(qū)寬度減小,從而縮短基區(qū)渡越時(shí)間,因此,器件的fT得到顯著改善.

        圖4 不同基區(qū)x(Ge)分布下器件fT隨IC的變化Fig.4 fT versus IC of the devices with different x(Ge) profiles in base region

        圖5所示為不同基區(qū)x(Ge)分布對(duì)器件IC-β曲線的影響.可以看出,當(dāng)xi從0.21增加到0.23時(shí),峰值電流增益βm從119.92增加到158.07.這主要是由于隨著xi的增加,yi由發(fā)射結(jié)一側(cè)向集電結(jié)一側(cè)轉(zhuǎn)移,基區(qū)電子加速場(chǎng)增大,有效基區(qū)寬度減小,有助于電子在基區(qū)的傳輸,減少基區(qū)內(nèi)載流子的復(fù)合,進(jìn)而提高基區(qū)輸運(yùn)系數(shù),因此,改善了器件的β.

        然而,對(duì)于x3=0.23的器件,當(dāng)IC>10-4mA時(shí),器件的β迅速下降,限制了器件的電流處理能力.

        進(jìn)一步給出了不同基區(qū)x(Ge)分布對(duì)器件β-T曲線的影響,如圖6所示,其中,VCE=1.8 V,IC=0.1 mA.

        圖5 不同基區(qū)x(Ge)分布下器件β隨IC的變化Fig.5 β versus IC of the devices with different x(Ge) profiles in base region

        從圖6中可以看出,當(dāng)T從300 K增加到340 K時(shí),基區(qū)x(Ge)均勻分布的常規(guī)器件和x2=0.22的器件β分別下降了25.37%和22.03%.與常規(guī)器件相比,x2=0.22的器件β的溫度敏感性得到削弱,改善了器件電學(xué)特性的熱穩(wěn)定性.

        圖6 不同基區(qū)x(Ge)分布對(duì)器件β-T曲線的影響Fig.6 Effect of different x(Ge) profiles in base region on β-T curves of the devices

        由文獻(xiàn)[16]可知,對(duì)于基區(qū)x(Ge)梯形分布的器件,其β表達(dá)式為

        (2)

        式中:c=688 meV;k為玻爾茲曼常數(shù);γ=Nc,SiGeNv,SiGe/(Nc,SiNv,Si),Nc,SiGe、Nc,Si為導(dǎo)帶的有效態(tài)密度,Nv,SiGe、Nv,Si為價(jià)帶的有效態(tài)密度;η=Dn,SiGe/Dn,Si,Dn,SiGe、Dn,Si為電子擴(kuò)散系數(shù).

        不難看出,β是關(guān)于T的函數(shù).下面具體分析比較2種器件(x2=0.22和x3=0.23)的β在溫度特性上的差異.將它們的β分別對(duì)T求偏導(dǎo)并相減可得

        (3)

        (4)

        不難看出,式(4)永遠(yuǎn)大于0,即與x2=0.22的器件相比,x3=0.23器件的β隨T變化趨勢(shì)更為平緩,采用基區(qū)x(Ge)梯形分布設(shè)計(jì)可有效削弱β對(duì)T的依賴關(guān)系.同時(shí),與x2=0.22的器件相比,x3=0.23的器件的β有所下降.這是因?yàn)樵贕e總量一定的情況下,x3=0.23的器件中性基區(qū)靠近發(fā)射結(jié)側(cè)的x(Ge)較低,形成的空穴勢(shì)壘較低,抑制空穴從基區(qū)向發(fā)射區(qū)注入的能力變?nèi)?,從而降低了發(fā)射結(jié)注入效率,導(dǎo)致β的下降.因此,在兼顧β及其溫度敏感性的情況下,本文選用x2=0.22的器件進(jìn)行進(jìn)一步的研究.

        2.2 襯底偏壓結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

        由于SOI基橫向SiGe HBT結(jié)構(gòu)上的特殊性,可以通過(guò)在襯底上施加正偏置電壓(即襯底偏壓結(jié)構(gòu))來(lái)調(diào)制載流子濃度和IC[17-19]. 本文首先給出了具有正襯底偏壓結(jié)構(gòu)的SOI基橫向SiGe HBT的器件模型,如圖7所示.

        圖7 具有正襯底偏壓結(jié)構(gòu)的SOI基橫向SiGe HBT 器件模型Fig.7 Device model of the SOI-based lateral SiGe HBT with positive substrate voltage structure

        當(dāng)襯底偏壓VS>0時(shí),將在靠近埋氧層上方的基區(qū)內(nèi)積累一層電子,此時(shí)基區(qū)內(nèi)空穴部分耗盡,中性基區(qū)變小,形成的薄空穴耗盡層有利于電子從發(fā)射區(qū)輸運(yùn)到集電區(qū). 此時(shí)的IC將由兩部分構(gòu)成:一部分電流為電子從發(fā)射區(qū)經(jīng)由中性基區(qū)注入到集電區(qū);另一部分電流為電子從發(fā)射區(qū)經(jīng)由薄空穴耗盡層直接注入到集電區(qū). 由于正襯底偏壓產(chǎn)生的薄空穴耗盡層有效降低了電子從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的勢(shì)壘,從而增加了IC,有利于器件β的改善.

        進(jìn)一步研究了正偏壓對(duì)器件IC-β曲線的影響,如圖8所示. 與基區(qū)x(Ge)梯形分布(x2=0.22,x3=0.23)的器件相比,當(dāng)VS=1.8 V且x2=0.22時(shí),器件βm可以達(dá)到180.39,峰值集電極電流ICm為0.11 mA. 這主要是因?yàn)?,正襯底偏壓的引入使得埋氧層上方的發(fā)射區(qū)和基區(qū)形成了非常薄的電子積累層,導(dǎo)致埋氧層附近的基區(qū)被耗盡,基區(qū)空穴濃度下降,發(fā)射結(jié)注入效率提高,因此,器件的β得到顯著提高. 同時(shí),圖9進(jìn)一步給出了正襯底偏壓結(jié)構(gòu)對(duì)器件IC-fT曲線的影響. 從圖中可以看出,正襯底偏置對(duì)器件fT的影響較小.

        圖8 正襯底偏壓下器件β隨IC的變化Fig.8 β versus IC of devices with positive substrate bias structure

        圖9 正襯底偏壓下器件fT隨IC的變化Fig.9 fT versus IC of devices with positive substrate bias structure

        考慮到正襯底偏壓的存在也會(huì)在靠近埋氧層上方的集電區(qū)內(nèi)積累電子,進(jìn)而使得集電區(qū)內(nèi)電子濃度提高,將不利于器件的擊穿特性. 因此,本文進(jìn)一步提出了一種在發(fā)射區(qū)和基區(qū)下方施加正襯底偏壓VS1,而在集電區(qū)下方施加負(fù)襯底偏壓VS2的復(fù)合襯底偏壓結(jié)構(gòu)SOI基橫向SiGe HBT,如圖10所示. 其中,VS1和VS2之間使用SiO2側(cè)墻進(jìn)行電學(xué)隔離.

        圖10 兼具基區(qū)x(Ge)梯形分布和復(fù)合襯底偏壓 結(jié)構(gòu)的SOI基橫向SiGe HBT器件模型Fig.10 Device model of the SOI-based lateral SiGe HBT with trapezoidal x(Ge) profile in base region and composite substrate voltage structure

        常規(guī)器件和兼具基區(qū)x(Ge)梯形分布和復(fù)合襯底偏壓結(jié)構(gòu)的SOI基橫向SiGe HBT的電場(chǎng)對(duì)比如圖11所示. 可以看出,與常規(guī)器件相比,具有復(fù)合襯底偏壓結(jié)構(gòu)的器件,由于集電區(qū)下方的負(fù)襯底偏壓使得靠近埋氧層上方的集電區(qū)內(nèi)積累一層空穴,集電區(qū)被部分耗盡,集電區(qū)電子濃度降低,集電結(jié)附近二維電場(chǎng)分布區(qū)域增大,從而有利于提高器件的擊穿電壓VCBO.

        圖11 新結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)器件電場(chǎng)分布的影響Fig.11 Effect of electric field distribution of the device by optimized design of the new structure

        圖12給出了新結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)器件擊穿電壓VCBO的改善. 圖中VCB為集電極- 基極電壓. 從圖中可以看出,與基區(qū)x(Ge)均勻分布的器件相比,當(dāng)正襯底偏壓VS1=2.5 V,負(fù)襯底偏壓VS2=-1.0 V時(shí),擊穿電壓VCBO從4.6 V增加到6.5 V,改善了41.3%.

        圖12 新結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)器件VCBO的改善Fig.12 Improvement of VCBO of the device by optimized design of the new structure

        根據(jù)能量平衡傳輸模型,電子的碰撞電離率αn[20]可以表示為

        (5)

        式中:a、b為擬合參數(shù);En為與電子溫度Tn相關(guān)的電場(chǎng)強(qiáng)度[20],可以表示為

        (6)

        式中C表示電子飽和速度與其能量馳豫時(shí)間的乘積.可以看出,αn與Tn呈指數(shù)關(guān)系,可以通過(guò)降低Tn來(lái)減小電子碰撞的概率,進(jìn)而改善器件的擊穿特性.

        相同偏置條件下常規(guī)器件與兼具基區(qū)x(Ge)梯形分布和復(fù)合襯底偏壓結(jié)構(gòu)的SOI基橫向SiGe HBT的Tn對(duì)比如圖13所示. 從圖中可以看出,與常規(guī)器件相比,新結(jié)構(gòu)器件的Tn的峰值從7 081.37 K減小為7 040.92 K,即復(fù)合襯底偏壓的引入使得器件Tn降低.

        圖13 新結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)器件電子溫度分布的影響Fig.13 Effect of electron temperature distribution of the device by optimized design of the new structure

        相應(yīng)地,從圖14所示的常規(guī)器件與具有復(fù)合襯底偏壓結(jié)構(gòu)的SOI基橫向SiGe HBT的αn的對(duì)比圖可以看出,與常規(guī)器件相比,新結(jié)構(gòu)器件的αn峰值從3 241.4 cm-1減小為3 142.7 cm-1. 集電區(qū)下方負(fù)襯底偏壓的引入也使得器件的αn降低,即有效減小了因碰撞而產(chǎn)生的載流子數(shù)量,從而有利于提高器件的擊穿電壓VCEO.

        圖14 新結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)器件電子碰撞電離率的影響Fig.14 Effect of electron impact ionization rate of the device by optimized design of the new structure

        圖15進(jìn)一步給出了新結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)器件VCEO的改善. 從圖中可以看出,與常規(guī)器件相比,新結(jié)構(gòu)器件的VCEO提高到2 V,改善了21.2%.

        圖15 新結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)器件VCEO的改善Fig.15 Improvement of VCEO of the devices by optimized design of the new structure

        同時(shí),圖16和圖17分別給出了新結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)器件β和fT的改善. 從圖中可以看出,與基區(qū)x(Ge)均勻分布的常規(guī)器件相比,在大電流范圍內(nèi),新結(jié)構(gòu)器件的β和fT得到顯著提高.

        圖16 新結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)器件β的改善Fig.16 Improvement of β of the devices by optimized design of the new structure

        圖17 新結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)器件fT的改善Fig.17 Improvement of fT of the devices by optimized design of the new structure

        圖18所示為不同襯底偏壓下的β隨T的變化曲線,其中VCE=1.8 V,IC=0.1 mA. 從圖中可以看出,β隨T升高呈下降趨勢(shì),與基區(qū)x(Ge)均勻分布的常規(guī)器件相比,當(dāng)T從300 K增加到340 K時(shí),具有復(fù)合襯底偏壓結(jié)構(gòu)且x2=0.22的器件的β下降了22.7%,β溫度敏感性減弱,從而保證了器件電學(xué)特性的熱穩(wěn)定性,使器件可以在較寬溫度范圍內(nèi)工作.

        圖18 新結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)器件β-T曲線的改善Fig.18 Improvement of β-T curves of the devices by optimized design of the new structure

        3 結(jié)論

        1) 為改善SOI基橫向SiGe HBT的高頻功率性能,本文設(shè)計(jì)出兼具基區(qū)x(Ge)梯形分布設(shè)計(jì)和復(fù)合襯底偏壓結(jié)構(gòu)的SOI基橫向SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管,該器件可以有效提高器件的β、fT和擊穿電壓.

        2) 由于引入基區(qū)x(Ge)梯形分布,將在基區(qū)產(chǎn)生電子加速場(chǎng),進(jìn)而減小有效基區(qū)寬度,一方面縮短基區(qū)渡越時(shí)間,fT得到提高,另一方面提高了基區(qū)輸運(yùn)系數(shù),改善了β. 結(jié)果表明,當(dāng)xi從0.21增加到0.23時(shí),器件fTm和βm分別提高了21.68%和31.8%. 但對(duì)于x3=0.23的器件,當(dāng)IC>10-4mA時(shí),β迅速下降,而x2=0.22時(shí),器件不僅在大電流范圍具有較高的β,而且β溫度敏感性也得到有效削弱.

        3) 進(jìn)一步通過(guò)優(yōu)化襯底偏壓結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出兼具基區(qū)x(Ge)梯形分布和復(fù)合襯底偏壓結(jié)構(gòu)的SOI基橫向SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管. 結(jié)果表明,與常規(guī)器件相比,新器件的fTm高達(dá)306.88 GHz,βm提高了84.8,擊穿電壓VCBO和VCEO分別改善了41.3%和21.2%. 本文工作對(duì)設(shè)計(jì)和制造出具有高頻功率性能的SOI基橫向SiGe HBT具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義.

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