异质结原理ppt课件.ppt

Department of Microelectronics Fudan Xie Haifen异质结原理及其在异质结原理及其在高速双极器件中的应用高速双极器件中的应用1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Ø介绍介绍Ø异质结的原理异质结的原理 Ø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Ø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 ØHBT的的应用应用Ø展望展望2介绍介绍u19511951年年, ,SchokleySchokley提提出出了了宽宽禁禁带带材材料料作作晶晶体体管管发射结的原理发射结的原理. .u19571957年年, ,H.H.KroemerKroemer：：若若发发射射区区材材料料的的禁禁带带宽宽度度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利利 用用 液液 相相 外外 延延 方方 法法 制制 成成 了了AlGaAsAlGaAs/ /GaAsGaAs异质结双极晶体管异质结双极晶体管. .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AlGaAsAlGaAs/ /GaAsGaAs异质结构异质结构u19801980年年用用MBEMBE方方法法制制成成AlGaAsAlGaAs/ /GaAsGaAs异异质质结结双双极极晶体管晶体管. .3HBTHBT应用于微波振荡器、低噪声放大器、功率放大应用于微波振荡器、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域。

以及微波、毫米波的军用通信等领域 介绍介绍4介绍介绍(0.9-2 GHz)(10-25 GHz)(3-40 GHz)(2.4-5.2 GHz)5 异质结的原理异质结的原理掺杂工程掺杂工程--能带工程能带工程v分分开开时时能能带带N (Ge) P(AsGa)6形成异质结后的能带形成异质结后的能带N p7同质双极型与异质双极型的同质双极型与异质双极型的比较比较 能带图比较能带图比较8 Si同质结双极晶体管同质结双极晶体管 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 9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10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u渐变异质结及Ｉ渐变异质结及Ｉ-Ｖ特性Ｖ特性Anderson扩散理论扩散理论 11 ,则 结论结论：同质结中注入比：同质结中注入比主要取决于ｎ区和ｐ区主要取决于ｎ区和ｐ区的掺杂浓度比的掺杂浓度比 注入比注入比同质结同质结12异质结中注入比异质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差ΔＥｇ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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突变异质结及Ｉ突变异质结及Ｉ-Ｖ特性Ｖ特性u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，这样大向前运动，这样大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14突变异质结及Ｉ突变异质结及Ｉ-Ｖ特性Ｖ特性扩散模型扩散模型u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若正向偏置时若正向偏置时结论：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 15突变异质结及Ｉ突变异质结及Ｉ-Ｖ特性Ｖ特性 热电子模型热电子模型扩散模型扩散模型161718共发射极电流增益共发射极电流增益异质结的注入比异质结的注入比提高提高 19异质结双极晶体管的材料结异质结双极晶体管的材料结构设计构设计 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 ΔEv .ΔEv .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，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20发射区发射区-基区异质结的基区异质结的设计考虑设计考虑 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.发射区发射区掺杂浓度的减小虽然使发射结电容降低掺杂浓度的减小虽然使发射结电容降低了了,但是增加了发射区电阻但是增加了发射区电阻,因此因此,要与发要与发射区的厚度等结合起来考虑射区的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.对于突变对于突变结结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基区设计基区设计 u 与基区的渡越时间有关与基区的渡越时间有关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,从而减少渡越基区时从而减少渡越基区时间间结论结论:22HBT应用于开关电路应用于开关电路 RB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. 23集电区的设计集电区的设计 τＣＣ=ＷＷC /2Vs+ＣＣc(ＲＲＥＥ+ＲＲＣＣ) 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Ｃ定的击穿电压和减小ＣＣＣ,收集区采用较低掺杂收集区采用较低掺杂浓度浓度.24发射区、基区和集电区掺杂浓发射区、基区和集电区掺杂浓度的选择度的选择 u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1018—1019ｃｍｃｍ-3 u收集区的浓度为收集区的浓度为1016ｃｍｃｍ-3uＥＣ的欧姆接触区浓度要大于ＥＣ的欧姆接触区浓度要大于1018ｃｍｃｍ-3 25HBT应用展望应用展望uGaAsHBT存在的主要问题：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 26SiGe HBT的的发展发展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 IBM(Blue Logic BiCMOS 5HP工艺（工艺（SiGeHBT和和3.3V0.5umCMOS结合结合27Why using SiGeC i.s.o. SiGe?Carbon can suppress boron TEDto reduce boron out-diffudion intopoly-emitter and collector below.The Booming of Wireless and Broadband World from Y2K280.43μm0.26μmEmitter electrodeSiGe intrinsic BaseBase electrode29SiGeHBT特点特点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面战胜 GaAs30SiGe/Si异异质结特点质结特点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，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31SiGe/Si异质结器件应用异质结器件应用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总结：总结： SiGeHBT SiGeHBT 器件器件uSiGeHBTSiGeHBT中中 , ,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 , ,可可降降低低发发射结的隧道效应、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性好等优优点 33小结小结34展望展望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LF＆＆RF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35uIBM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 。

开发下一代蜂窝开发下一代蜂窝SiGeSiGe增强型芯片增强型芯片组组 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、无线目标是移动、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（射频前端展望展望36Thank you37。