异质结原理ppt课件.ppt

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1、1Department of Microelectronics Fudan Xie Haifen2异质结原理与其在高速双极器件中异质结原理与其在高速双极器件中的应用的应用介绍介绍异质结的原理异质结的原理 异质结及双极晶体管的特性分析异质结及双极晶体管的特性分析异质结双极晶体管的材料结构设计异质结双极晶体管的材料结构设计 HBT的应用的应用展望展望3u19511951年年, ,SchokleySchokley提出了宽禁带材料作晶体管提出了宽禁带材料作晶体管发射结的原理发射结的原理. .u19571957年年, ,H.KroemerH.Kroemer：若发射区材料的禁带宽度：若发射区材料的禁带宽度

2、大于基区的禁带宽度大于基区的禁带宽度, ,可获得很高的注入比可获得很高的注入比u19721972年年, ,DumkeDumke利用液相外延方法制成了利用液相外延方法制成了AlGaAs/GaAsAlGaAs/GaAs异质结双极晶体管异质结双极晶体管. .u19781978年年BellBell实验室利用实验室利用MBEMBE获得了调制掺杂获得了调制掺杂AlGaAs/GaAsAlGaAs/GaAs异质结构异质结构u19801980年用年用MBEMBE方法制成方法制成AlGaAs/GaAsAlGaAs/GaAs异质结双极异质结双极晶体管晶体管. .4HBTHBT应用于微波振荡器、低噪声放大器、功率放大

3、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、器、信号混合器、分频器、MMICMMIC、T/RT/R组件、全球组件、全球定位系统定位系统GPS)GPS)以及微波、毫米波的军用通信等领以及微波、毫米波的军用通信等领域。域。 5(0.9-2 GHz)(10-25 GHz)(3-40 GHz)(2.4-5.2 GHz)6v分开时能带分开时能带真空能级2q2gE2cE2FE2VEVE2WCE1CE1FE1VE1gE1q1W1212N (Ge) P(AsGa)7VECE1CE1FE1VE1q1W2q2cE2VE2W2DV1DV真 空 能 级N p89 Si同质结双极晶体管同质结双极晶体

4、管 AlGaAs/ GaAs异质结双极晶体管异质结双极晶体管掺杂分布比较掺杂分布比较 10载流子运输模型载流子运输模型扩散模型，热电子发射模型，隧道模型扩散模型，热电子发射模型，隧道模型异质结考虑：异质结能带断续，能带渐变异质结考虑：异质结能带断续，能带渐变及各种复合及各种复合11u渐变异质结及渐变异质结及-特性特性1exp1101kTqVLnqDjannnl1exp22022kTqVLppqDjaPP1exp212021012kTqVLppqDLnnqDjjjaPnPnl12iinPpnlnPpnlpnnnpnLLDDpnLLDDjj22201012122201012221 ,则 iinn2

5、11221ADnPpnpnNNLLDDjj结论结论：同质结中注入比：同质结中注入比主要取决于区和区主要取决于区和区的掺杂浓度比的掺杂浓度比 12/ADNN注入比注入比同质结同质结13异质结中注入比异质结中注入比kTEhmmkTngnpi2exp)()2(234323kTEENNmmLmmLDDjjggADnpnnpPpnlpn/ )1(exp)()(2122322123112221)/exp(1221kTENNjjgADpn异质结双极晶体管的注入比与发射区和基区的禁带宽度差呈指数关系 v结论：结论：异质结双极晶体管的注入异质结双极晶体管的注入比与发射区和基区的禁带宽度差比与发射区和基区的禁带宽

6、度差 呈呈指数指数关系关系 gE14u扩散模型扩散模型：能量大于：能量大于 的电子以扩散方式的电子以扩散方式向窄带区运动向窄带区运动.u热电子发射模型热电子发射模型：电子以热电子发射，发射速：电子以热电子发射，发射速度度 运动运动, cm/s向前运动，这样大大向前运动，这样大大缩短在基区的渡越时间缩短在基区的渡越时间 . u隧道模型隧道模型：电子没有到达越过尖峰的能量时，：电子没有到达越过尖峰的能量时，以隧道方式穿过势垒进入基区。以隧道方式穿过势垒进入基区。2DqV871010 V15u加正向偏压后的理想突变异质结能带图加正向偏压后的理想突变异质结能带图kTqVkTqVkTqVLDDqxJaa

7、DNnn122121expexpexp若正向偏置时若正向偏置时kTqVJa2exp结论：结论：总电流与外加偏总电流与外加偏压呈压呈指数指数变化关系变化关系 16kTqVkTqVkTqVmkTqxNJaaDD122212expexpexp2kTqVkTqVkTqVLDDqxJaaDNnn122121expexpexp扩散模型扩散模型17I I c cI IS S C C R R , , E EI Ii i n n t t . . E EI Ii i n n t t . . B BIS S C C R R . . B BI Ib b u u l l k kE E v vI IP P发 射 区基 区

8、ICI IB BS SI IE ES S18psrnEEIIIIbrsrPtrfrsrVrPBIIIIIIIIIbrnEBEIIIIIc19brsrpbrnEBCIIIIIIIPnEIImax异质结的注入比异质结的注入比PnEII提高提高 brIIsr20要求要求u不同材料晶格常数应尽量接近（减少在不同材料晶格常数应尽量接近（减少在界面处产生的位错、缺陷导致的载流子界面处产生的位错、缺陷导致的载流子复合要获得高增益复合要获得高增益,发射区与基区的材料发射区与基区的材料组合要有大的组合要有大的 Ev .Ev .u异质结材料的热膨胀系数的一致性异质结材料的热膨胀系数的一致性 u材料的禁带宽度之差，

9、导带和价带的断材料的禁带宽度之差，导带和价带的断续量，材料迁移率。续量，材料迁移率。21uHBT频率特性的提高频率特性的提高, 依赖于减少发射结依赖于减少发射结面积面积,减少发射区的掺杂浓度减少发射区的掺杂浓度.发射区掺杂发射区掺杂浓度的减小虽然使发射结电容降低了浓度的减小虽然使发射结电容降低了,但但是增加了发射区电阻是增加了发射区电阻,因此因此,要与发射区的要与发射区的厚度等结合起来考虑厚度等结合起来考虑 。u发射结大的发射结大的HBT,要设法实现理想的组分要设法实现理想的组分渐变渐变,保证保证HBT的电流增益的电流增益.对于突变结对于突变结HBT,选择大的的发射结材料组合选择大的的发射结材

10、料组合 22u 与基区的渡越时间有关与基区的渡越时间有关BBBDW2/2qkTDB/1.选择迁移率高的材料作基区选择迁移率高的材料作基区 2.减少基区宽度减少基区宽度,从而减少渡越基区时从而减少渡越基区时间间结论结论:Tf23RB为基区电阻为基区电阻, 降低降低RB可以缩短开关时间可以缩短开关时间 基区还可以采用带隙渐变基区结构基区还可以采用带隙渐变基区结构.调整二元系或多元调整二元系或多元系基区组分系基区组分,使禁带宽度发生变化使禁带宽度发生变化,产生的附加电场减小产生的附加电场减小了少子在基区的渡越时间了少子在基区的渡越时间. LLCLBCBsRCCRRCR)3(25)(212ggBBEE

11、qWBggqWEEE2124=C /2Vs+c(+) 减小集电结电容减小集电结电容:减少基区欧姆接触区面积和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自对准工艺形成基区的欧姆接触区.为保证一为保证一定的击穿电压和减小定的击穿电压和减小,收集区采用较低掺杂收集区采用较低掺杂浓度浓度.25u发射区掺杂浓度为发射区掺杂浓度为1017cm-3 u基区掺杂浓度在基区掺杂浓度在10181019-3 u收集区的浓度为收集区的浓度为1016-3u的欧姆接触区浓度要大于的欧姆接触区浓度要大于1018-3 26uGaAsHBT存在的主要问题：目前

12、单品直存在的主要问题：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，只有硅材料的三分易碎片；热导率低，只有硅材料的三分之一。之一。u工艺上与工艺上与Si工艺不相容，电路的成本高工艺不相容，电路的成本高uSiGeHBT的应用展望：高频、高速、光的应用展望：高频、高速、光电、低温等器件及集成电路电、低温等器件及集成电路 27u1986年，用年，用UHV/CVD技术，技术，SiGe器件器件u1987年年,第一个器件性能的第一个器件性能的SiGeHBTu1988 年，用年，用MBE方法生长方法生长SiGeHBTu1989年，年， UHV/CVD技术技术

13、SiGeHBT，基区，基区Ge组分组分渐变，多晶发射极的渐变，多晶发射极的SiGeHBTu1990年年fT=75GHz,SiGeHBTu1992, SiGeHBT CMOS工艺工艺1994商用化产品商用化产品u1998 德国德国TEMIC 工业化的工业化的SiGeHBT 工艺。工艺。 IBM(Blue Logic BiCMOS 5HP工艺（工艺（SiGeHBT和和3.3V0.5umCMOS结合结合。28Why using SiGeC i.s.o. SiGe?Carbon can suppress boron TEDto reduce boron out-diffudion intopoly-e

14、mitter and collector below.The Booming of Wireless and Broadband World from Y2K290.43m0.26mEmitter electrodeSiGe intrinsic BaseBase electrode30uSi Ge有有 具有异质结结构具有异质结结构u在工艺上与在工艺上与 Si器件相容器件相容u具有具有Si器件的器件的“低成本低成本”,u具有异质结结构的具有异质结结构的“高性能高性能”。u很多人认为很多人认为 Si Ge不仅可以在高频领域战不仅可以在高频领域战胜胜 Si,而且可以在低成本方面战胜而且可以在低成本方

15、面战胜 GaAs31uSi/ Si Ge异质结结构特性可以大大提高晶异质结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和速度以及二维载流子气浓度 ,所以所以 Si Ge用于用于SiGeHBT的应用展望：高频、高的应用展望：高频、高速、光电、低温等器件及集成电路大大速、光电、低温等器件及集成电路大大提高它们的性能。提高它们的性能。32u运于运于PMOS器件器件u用于用于MODFET或或HEMTu用于光电子器件用于光电子器件u制作双稳态制作双稳态SiGe/Si隧道二极管隧道二极管u制作电荷注入晶体管制作电荷注入晶体管u制作谐振

16、腔有机场致发光器件制作谐振腔有机场致发光器件u制作光晶闸管制作光晶闸管33uSiGeHBTSiGeHBT中中 , ,基区材料的带隙小于发射区，发基区材料的带隙小于发射区，发射区不必重掺杂射区不必重掺杂 , ,基区则可以重掺杂。基区则可以重掺杂。u基区电阻小、噪声低、注入效率高基区电阻小、噪声低、注入效率高 , ,可降低发可降低发射结的隧道效应、穿通效应和电容。射结的隧道效应、穿通效应和电容。u基区可以做得很薄基区可以做得很薄 , ,能缩短渡越时间能缩短渡越时间 , ,提高频提高频率响应。率响应。u同常规的同常规的 SiBJTSiBJT器件相比器件相比 , , SiGeHBTSiGeHBT具有传

17、输具有传输时间短、截止频率高、电流增益大以及时间短、截止频率高、电流增益大以及低温特低温特性好等优点。性好等优点。 34小结小结35uSiGeHBTu低功耗和更高的开关速度；低功耗和更高的开关速度；u在在LFRF频段很低的噪声系数；频段很低的噪声系数；u许多设计原来仅用许多设计原来仅用GaAs技术实现利用技术实现利用SiGe与与Si工艺兼容的特点可能导致全新工艺兼容的特点可能导致全新的设计；的设计；u SiGe集成技术维系了集成技术维系了Si工艺巨大的经济工艺巨大的经济性。性。36uIBM高高性能性能120GHz SiGeHBT(0.18um CMOS)无线、有线和存储器应用，无线、有线和存储器应用，通信、存储、测试、通信、存储、测试、仪表等广泛的应用领域为多家公司提供仪表等广泛的应用领域为多家公司提供SiGeSiGe芯片芯片制造服务制造服务 。开发下一代蜂窝电话开发下一代蜂窝电话SiGeSiGe增强型芯增强型芯片组片组 Sony:第一个第一个SiGe工艺用于代工服务工艺用于代工服务SiGe晶体管晶体管截止频率为截止频率为50GHz目标是移动电话、无线目标是移动电话、无线LAN和和光纤网络应用，光纤网络应用，第三代移动通信系统（射频前端第三代移动通信系统（射频前端37