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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,5.1 HBT的理论基础,4,异
2、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
3、，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
4、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 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
5、、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。 （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，
6、 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 .
7、 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,与基区的渡越时间有关,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,
8、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,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10181019-3 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
9、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、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
10、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,
11、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：,根据晶体管理论：,所以,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
12、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。,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26kV/cm，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
13、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
14、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SiGeHBT，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Si
15、GeHBT 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 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
16、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LFRF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S
