异质结原理讲课教案.ppt

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1、Department of Microelectronics Fudan Xie Haifen异质结原理及其在异质结原理及其在高速高速(o s)双极器件中的应双极器件中的应用用1第一页，共37页。异质结原理异质结原理(yunl)与其在高速双与其在高速双极器件中的应用极器件中的应用介绍介绍异质结的原理异质结的原理(yunl)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2第二页，共37页。介绍介绍(jisho)u19511951年年,Schokley,Schokley提提出出了了宽宽禁禁带带材材料料

2、作作晶晶体体管管发发射射结结的原理的原理.u19571957年年,H.Kroemer,H.Kroemer：若若发发射射区区材材料料的的禁禁带带宽宽度度大大于于基区的禁带宽度基区的禁带宽度,可获得很高的注入比可获得很高的注入比u19721972年年,Dumke,Dumke利利用用液液相相外外延延方方法法制制成成了了AlGaAs/GaAsAlGaAs/GaAs异质异质(y zh)(y zh)结双极晶体管结双极晶体管.u19781978年年 BellBell实实 验验 室室 利利 用用 MBEMBE获获 得得 了了 调调 制制 掺掺 杂杂AlGaAs/GaAsAlGaAs/GaAs异质异质(y zh

3、)(y zh)结构结构u19801980年年用用MBEMBE方方法法制制成成AlGaAs/GaAsAlGaAs/GaAs异异质质(y(y zh)zh)结结双极晶体管双极晶体管.3第三页，共37页。HBTHBT应用于微波振荡器、低噪声放大器、功率放大器、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、信号混合器、分频器、MMICMMIC、T/RT/R组件、全球定位系统组件、全球定位系统GPS)GPS)以及微波、毫米波的军用通信以及微波、毫米波的军用通信(tng xn)(tng xn)等领域。等领域。介绍介绍(jisho)4第四页，共37页。介绍介绍(jisho)(0.9-2 GH

4、z)(10-25 GHz)(3-40 GHz)(2.4-5.2 GHz)5第五页，共37页。异质结的原理异质结的原理掺杂掺杂(chn z)工程工程-能带工能带工程程v分分开开(fn ki)时时能能带带N(Ge)P(AsGa)6第六页，共37页。形成形成(xngchng)异质结后异质结后的能带的能带N p7第七页，共37页。同质双极型与异质同质双极型与异质(y zh)双极型的双极型的比较比较 能带图比较能带图比较(bjio)8第八页，共37页。Si Si同质同质同质同质(tn zh)(tn zh)结双极晶体管结双极晶体管结双极晶体管结双极晶体管 AlGaAs/GaAs AlGaAs/GaAs异质

5、结双极晶体管异质结双极晶体管异质结双极晶体管异质结双极晶体管掺杂分布掺杂分布(fnb)比较比较 9第九页，共37页。异质异质(y zh)结双极晶体管的特结双极晶体管的特性分析性分析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考虑(kol)：异质结能带断续，能：异质结能带断续，能带渐变及各种复合带渐变及各种复合10第十页，共37页。异质异质(y zh)结双极晶体管的特性结双极晶体管的特性分析分析u渐变异质结及渐变异质结及-特性特性(txng)Anderson扩散理扩散理论论 11第十一页，共37页。,则 结论：同质结论：同质(t

6、n zh)结结中注入比主要取决于中注入比主要取决于区和区的掺杂浓度比区和区的掺杂浓度比 注入注入(zh r)比比同质同质(tn zh)结结12第十二页，共37页。异质异质(y zh)结中注入比结中注入比异质结双极晶体管的注入比与发射区和基区的禁带宽度(kund)差呈指数关系 v结结论论：异异质质结结双双极极晶晶体体管管的的注注入入(zh r)比比与与发发射射区区和和基基区区的的禁禁带带宽宽度度差差 呈呈指指数数关关系系 13第十三页，共37页。异质结双极晶体管的特性分析异质结双极晶体管的特性分析(fnx)突变异质结及突变异质结及-特特性性u扩散模型：能量大于扩散模型：能量大于 的电子以扩散方式

7、向窄带的电子以扩散方式向窄带区运动区运动.u热电子发射模型：电子以热电子发射，发射速度热电子发射模型：电子以热电子发射，发射速度 运运动动,cm/s向前运动，这样大大向前运动，这样大大u缩短缩短(sudun)在基区的渡越时间在基区的渡越时间.u隧道模型：电子没有到达越过尖峰的能量时，以隧隧道模型：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。道方式穿过势垒进入基区。14第十四页，共37页。突变突变(tbin)异质结及异质结及-特性特性扩散模型扩散模型u加正向偏压加正向偏压(pin y)后的理想突变异质后的理想突变异质结能带图结能带图若正向若正向(zhn xin)偏偏置时置时结论：结

8、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 15第十五页，共37页。突变异质突变异质(y zh)结及结及-特性特性 热电子模型热电子模型扩散扩散(kusn)模型模型16第十六页，共37页。17第十七页，共37页。18第十八页，共37页。共发射极电流共发射极电流(dinli)增增益益异质异质(y zh)结的注入比结的注入比提高提高(t go)19第十九页，共37页。异质异质(y zh)结双极晶体管的结双极晶体管的材料结构设计材料结构设计 要求要求不同材料晶格常数应尽量接近（减少在界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面处产生的位错、缺陷导致

9、的载流子复合要获得高增益合要获得高增益,发射区与基区的材料组发射区与基区的材料组合合(zh)要有大的要有大的 Ev.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 材料的禁带宽度之差，导带和价带的断续材料的禁带宽度之差，导带和价带的断续量，材料迁移率。量，材料迁移率。20第二十页，共37页。发射区发射区-基区异质结的基区异质结的设计设计(shj)考虑考虑 uHBT频率特性的提高频率特性的提高,依赖于减少发射依赖于减少发射结面积结面积,减少发射区的掺杂浓度减少发射区的掺杂浓度(nngd).发射区掺杂浓度发射区掺杂浓度(nngd)的减的减小虽然使发射结电容降低了小虽然使发射结电容降低

10、了,但是增加了但是增加了发射区电阻发射区电阻,因此因此,要与发射区的厚度等要与发射区的厚度等结合起来考虑结合起来考虑。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料组合 21第二十一页，共37页。基区设计基区设计(shj)u 与基区的渡越时间(shjin)有关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(kund),从而减少渡越从而减少渡越基区时间基区时间结论结论:22第二十二页，共37页。HBT应用应用(yngyn

11、g)于开关于开关电路电路 RB为基区电阻为基区电阻,降低降低(jingd)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.调整二元系或多元系基调整二元系或多元系基区组分区组分,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了少子产生的附加电场减小了少子(sho z)在基区的渡越时间在基区的渡越时间.23第二十三页，共37页。集电区的设计集电区的设计(shj)=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缩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短发射区到基极接触的间距.自对准工艺形成基区的欧姆

12、接触区自对准工艺形成基区的欧姆接触区.为保证一定为保证一定的击穿电压的击穿电压(diny)和减小和减小,收集区采用较收集区采用较低掺杂浓度低掺杂浓度.24第二十四页，共37页。发射区、基区和集电区掺杂发射区、基区和集电区掺杂(chn z)浓度的选择浓度的选择 u发射区掺杂浓度发射区掺杂浓度(nngd)为为1017cm-3 u基区掺杂浓度基区掺杂浓度(nngd)在在10181019-3 u收集区的浓度收集区的浓度(nngd)为为1016-3u的欧姆接触区浓度的欧姆接触区浓度(nngd)要大于要大于1018-3 25第二十五页，共37页。HBT应用应用(yngyng)展望展望uGaAsHBT存在的

13、主要问题：目前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，电路工艺不相容，电路(dinl)的成本高的成本高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(dinl)26第二十六页，共37页。SiGe HBT的发展的发展(fzhn)u1986年，用年，用UHV/CVD技术，技术，SiGe器件器件u1987年年,第一个器件性能第一个器件性能(xngnng)的的S

14、iGeHBTu1988 年，用年，用MBE方法生长方法生长SiGeHBTu1989年，年，UHV/CVD技术技术SiGeHBT，基区，基区Ge组分渐变，组分渐变，多晶发射极的多晶发射极的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。u IBM(Blue Logic BiCMOS 5HP工艺（工艺（SiGeHBT和和3.3V0.5umCMOS结合。结合。27第二十七页，共37页。Why using SiGeC i.s.o.SiGe?Ca

15、rbon can suppress boron TEDto reduce boron out-diffudion intopoly-emitter and collector below.The Booming of Wireless and Broadband World from Y2K28第二十八页，共37页。0.43m0.26mEmitter electrodeSiGe intrinsic BaseBase electrode29第二十九页，共37页。SiGeHBT特点特点(tdin)uSi 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S

16、i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(zhnshng)Si,而且可以在低成本方面而且可以在低成本方面战胜战胜(zhnshng)GaAs30第三十页，共37页。SiGe/Si异质异质(y zh)结特点结特点uSi/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格匹配(ppi)，载流子的迁移率、载流，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子的饱和速度以及二维载流子气浓度,所所以以 Si Ge用于用于SiGeHBT的应用展望：高频、的应

17、用展望：高频、高速、光电、低温等器件及集成电路大高速、光电、低温等器件及集成电路大大提高它们的性能。大提高它们的性能。31第三十一页，共37页。SiGe/Si异质结器件异质结器件(qjin)应用应用u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(din z q jin)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32第三十二页，共37页。总结总结(zngji)：SiGeHBT 器件器件uSiGeHBTSiGeHBT中中 ,

18、基基区区材材料料的的带带隙隙小小于于发发射射区区，发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基基区区电电阻阻小小、噪噪声声低低、注注入入效效率率高高 ,可可降降低低(jingd)(jingd)发发射射结结的的隧隧道道效效应应、穿穿通通效效应应和和电电容。容。u基基区区可可以以做做得得很很薄薄 ,能能缩缩短短渡渡越越时时间间 ,提提高高频频率响应。率响应。u同同常常规规的的 SiBJTSiBJT器器件件相相比比 ,SiGeHBTSiGeHBT具具有有传传输输时时间间短短、截截止止频频率率高高、电电流流增增益益大大以以及及低低温温特特性好等优点。性好等优点。33第三十

19、三页，共37页。小结小结(xioji)34第三十四页，共37页。展望展望(zhnwng)uSiGeHBTu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技术技术(jsh)实实现利用现利用SiGe与与Si工艺兼容的特点可能工艺兼容的特点可能导致全新的设计；导致全新的设计；u SiGe集成技术集成技术(jsh)维系了维系了Si工艺巨大工艺巨大的经济性。的经济性。35第三十五页，共37页。uIBM高高性能性能120GHz SiGeHBT(0.18um CMOS)u无线、有线和存储器应用，通信、存储、测试、无线、有线和存储器应用，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SiGe芯片制芯片制造服务造服务。开发下一代蜂窝电话。开发下一代蜂窝电话SiGe增强型芯片组增强型芯片组 uSony: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u截止频率为截止频率为50GHz目标是移动目标是移动(ydng)电话、无电话、无线线LAN和光纤网络应用，第三代移动和光纤网络应用，第三代移动(ydng)通信通信系统（射频前端系统（射频前端展望展望(zhnwng)36第三十六页，共37页。Thank you37第三十七页，共37页。