Ge組分對SiGe HBT主要電學(xué)特性的影響

0 引言

　　SiGe基區異質(zhì)結雙極型晶體管(SiGe HBT)是利用SiGe合金特性制成的器件。自1987年采用MBE技術(shù)首次制作出SiGe基區HBT以來(lái)，SiGe集成電路的規模和電路的速度不斷發(fā)展，電流增益和頻率響應等性能已經(jīng)接近或達到了化合物異質(zhì)結器件的水平。而SiGe異質(zhì)結技術(shù)和傳統的Si集成電路相比，在工藝上并未增加大的復雜性，且成本低于化合物半導體器件。最新的SiGe HBT的研究表明已研制出超過(guò)200 GHz電流增益峰值達到400的晶體管，并且低溫下fT達到200 GHz的SiGeHBT也已制成。

　　Ge的電子遷移率是Si的2.6倍，空穴遷移率達到Si的3.5倍。而器件的速度最終取決于在一定的電壓下載流子被"推動(dòng)"而通過(guò)器件的速度。通過(guò)對SiGe HBT的結構和工藝參數的設計，可以定向地對SiGe HBT的能帶結構進(jìn)行剪裁，在器件結構設計中使用Si1-xGex薄膜作基區，發(fā)射結的帶隙寬度變化使電子注入基區的勢壘降低，使發(fā)射效率提高，電流增益增大。通過(guò)對基區Ge分布的設計使得基區產(chǎn)生一個(gè)內建電場(chǎng)，減小載流子的基區渡越時(shí)間從而使fT得到提高，制成超高頻晶體管。因此如何通過(guò)設計器件結構和控制Ge的組分，包括對Si1-xGex合金的x值的選擇和對Ge分布形狀的設計，使器件獲得更好的電學(xué)特性，充分發(fā)揮異質(zhì)結半導體器件的特性成為這一領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。

　　綜上所述，SiGe HBT的電學(xué)特性參數fT和β與Ge的含量和分布關(guān)系密切，本文通過(guò)計算分析，得到SiGe HBT中Ge的組分和含量對其主要電學(xué)特性的影響。

1 Si／Si1-xGex異質(zhì)結與SiGe HBT

1.1 Si1-xGex異質(zhì)結

　　在異質(zhì)結晶體管中基區采用帶隙寬度較小的半導體材料，而發(fā)射區采用帶隙寬度較大的半導體材料，可以使器件獲得高的發(fā)射效率。通過(guò)改變異質(zhì)結中兩種材料的組分，改變材料的結構和帶隙寬度，使結的過(guò)渡漸變，引起導帶和價(jià)帶產(chǎn)生能量梯度，則帶隙寬度的漸變產(chǎn)生的等效內建電場(chǎng)使載流子的渡越時(shí)間減小。對于SiGe HBT，通過(guò)對基區Ge組分的設計在基區形成內建場(chǎng)，減小載流子基區渡越時(shí)間，進(jìn)一步提高器件的速度。

　　Si的帶隙寬度為1.11 ev，Ge的帶隙寬度為0.67eV，用化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法通過(guò)控制氣體比例可以獲得Si1-xGex合金，合金的帶隙寬度在0.67～1.11 eV。很多晶體管參數都與能帶結構有著(zhù)直接的關(guān)系，而Si1-xGex合金綜合了Si和Ge各自能帶的特點(diǎn)，故會(huì )對其特性有較大的改善，而且由于Si1-xGex的帶隙寬度較小，適合于作HBT的基區以提高發(fā)射效率。

　　在兩種半導體的界面上，由于存在著(zhù)帶隙的差異，如圖1所示，其能帶會(huì )在導帶底或價(jià)帶頂出現不連續的情況，導帶底出現的勢壘尖峰會(huì )阻止非平衡少數載流子(電子)由發(fā)射極的注入，從而會(huì )降低發(fā)射效率γ。但越過(guò)勢壘尖峰的電子會(huì )獲得更高的能量，在基區有更高的速度，可以改善器件的頻率特性。

　　對于晶體管的設計，需要在相互關(guān)聯(lián)的性能因素中進(jìn)行折中考慮，為了縮短基區渡越時(shí)間提高晶體管的截止頻率，需盡量減小基區寬度。而當基區寬度減小時(shí)，器件會(huì )受到基區穿通效應的限制，在集電結耗盡層隨反偏電壓的增高和發(fā)射結耗盡層相連時(shí)(基區寬度變?yōu)榱?，發(fā)生基區穿通。而耗盡層寬度受摻雜濃度影響，增加基區摻雜濃度可以減小耗盡層的厚度，防止基區穿通的發(fā)生，但是隨著(zhù)摻雜濃度的提高，發(fā)射效率會(huì )降低，提高了基區的摻雜濃度，發(fā)射區的摻雜濃度也需相應地提高，否則會(huì )造成電流增益的下降。而SiGe HBT的基區材料帶隙較窄，發(fā)射區材料帶隙較寬，在進(jìn)一步提高基區的摻雜濃度時(shí)不會(huì )對電流增益產(chǎn)生大的影響。

1.2 Si1-xGex薄膜

　　為了保證器件載流子的遷移率，需要小心地外延Si1-xGex薄膜，Si和Ge的晶格常數相差約為4％。對于Si1-xGex合金，當其薄膜厚度較小，Ge含量較低時(shí)，Si1-xGex薄膜中價(jià)鍵處于一種畸變的狀態(tài)，晶格發(fā)生彈性應變，以贗晶形式生長(cháng)，晶格失配較小，不會(huì )產(chǎn)生位錯失配，彈性應力將保持薄膜的穩定。而當薄膜厚度到達一定程度之后，贗晶體體內積累的應力增大到一定程度時(shí)，就會(huì )因晶面滑移而形成位錯失配，所以要保證薄膜的厚度在不產(chǎn)生位錯的范圍內。圖2為SiGe薄膜臨界有效厚度曲線(xiàn)圖。在制造工藝中，熱氧化工藝、熱擴散摻雜等工藝技術(shù)需要的溫度較高，離子注入摻雜后需要進(jìn)行退火處理，這對Si1-xGex合金的熱穩定性也有一定要求。

　　超高真空化學(xué)氣相沉積(UHV／CVD)是在低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)的基礎上，把超高真空技術(shù)與化學(xué)氣相沉積技術(shù)相結合，進(jìn)一步發(fā)展出的一種新型異質(zhì)結生長(cháng)技術(shù)。UHV／CVD外延過(guò)程本質(zhì)上屬于反應速率控制生長(cháng)速率，可以實(shí)現均勻性、重復性、可控性良好的多片生長(cháng)。采用UHV／CVD技術(shù)沉積的Si1-xGex薄膜，其中Ge的含量同氣源中的Ge含量可以成線(xiàn)性關(guān)系，可以由0％～100％任意變化，而HBT復雜的Ge組分分布需通過(guò)計算機控制GeH4流量來(lái)實(shí)現，以獲得厚度較均勻的薄膜，另外UHV／CVD加工溫度約550℃，不會(huì )造成更多的晶格缺陷，保證了載流子的遷移率。

　　在晶體管設計中，為了減少載流子的基區體復合，增加電子(非平衡少數載流子)擴散通過(guò)基區的比例，基區的有效寬度需要遠小于電子在基區中的擴散長(cháng)度(Wb≤Lnb)。在SiGe HBT的設計中為了獲得更優(yōu)良的器件性能需要增加Ge的含量，同時(shí)還要保證薄膜的穩定性，以免在工藝過(guò)程中受晶格失配的影響。這就要求在不會(huì )發(fā)生基區穿通的前提下進(jìn)一步地降低Si1-xGex的薄膜厚度，這也符合晶體管設計對基區寬度小于電子在基區擴散長(cháng)度的要求。

2 Si1-xGex合金中的Ge組分(x)設計

　　以往的研究指出了三種典型的Ge在基區的分布，分別是三角形分布、均勻分布和梯形分布，如圖3所示，而使用何種Ge分布圖形受器件的具體應用影響。圖3中D為由表面到器件體內的深度?？梢钥吹?，對于受到基區渡越時(shí)間限制的器件，可以使用緩變基區Ge分布獲得一個(gè)內建場(chǎng)。

　　在現代的雙極晶體管技術(shù)中，一般采用多晶硅發(fā)射極結構提高發(fā)射效率、電流增益和頻率響應。在SiGe HBT中使用多晶硅發(fā)射極可以減小發(fā)射區的渡越時(shí)間，而重摻雜的集電區則可以減小集電區的渡越時(shí)間，但是當基區寬度減小時(shí)，載流子在基區的渡越時(shí)間自然會(huì )減小，發(fā)射區的渡越時(shí)間變得更為重要，基區Ge均勻分布的器件速度更快。

　　為了獲得更好的器件性能，在Ge分布圖形設計時(shí)使用均勻與緩變相結合的方式，綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，可以使用梯形分布。對于不同的應用可以采用不同的分布來(lái)達到相應的要求，在要求精度較高的領(lǐng)域，如精確電流源，在數-模和模-數轉換器中，電流增益和Early電壓之積就較為重要；而在高頻應用中，如高頻放大器、振蕩器等，最高振蕩頻率就更為重要。

3 Ge的基區組分對器件特性的影響

　　不同結構參數、不同工藝的Si BJT有著(zhù)不同的特性參數。SiGe HBT的基區是通過(guò)外延生長(cháng)而成的，在實(shí)際應用當中器件是三維的，在電路中會(huì )有各種寄生參數，其理論計算會(huì )因維數增加變得復雜乃至難以進(jìn)行。所以，在對器件特性參數進(jìn)行理論推導時(shí)可以認為兩種器件的結構是相同的，以簡(jiǎn)化計算，而且對一維本征器件進(jìn)行理論推導建模會(huì )容易得到Ge的分布情況與器件特性之間的關(guān)系。

3.1 集電極電流和電流增益

　　在晶體管基區加入Ge對晶體管直流特性的影響主要是在集電極電流密度上。從物理上來(lái)看，電子在EB結處注入基區的勢壘，由于Ge的引入而降低，從而對于某一固定的EB偏置，發(fā)射區到集電區可以獲得更多的電荷輸運。圖4為基區Ge緩變SiGe HBT和Si BJT能帶結構的對比。

 
　　式(13)表明β與帶隙寬度變化的指數關(guān)系，引入Ge使得對于不同的應用可以更容易地獲得不同的β值，例如可以適當增大發(fā)射結處的Ge組分以增大上式中的分子而增大電流增益；適當減小集電結處的Ge組分以增大該處的帶隙寬度，從而使上式中的分母減小，而進(jìn)一步提高電流增益，減小集電結處的Ge組分會(huì )減弱在基區形成的內建場(chǎng)，在速度要求不高而電流增益要求較大的應用場(chǎng)合可以采用這種方法。另外由式(13)可知Ge的組分對β的影響呈指數關(guān)系，Ge的組分變化可影響到β，而摻雜濃度的影響相對減小，在對β要求不高的應用中也可以提高基區的摻雜濃度來(lái)減小基區電阻而β不會(huì )有明顯的下降。

3.2頻率特性

　　SiGe HBT的特征頻率fT的表達式和Si-BJT是相同的，即為
 

　　可知，提高基區Ge的含量可以提高SiGe HBT的特征頻率，通過(guò)對Ge組分的設計可以在基區形成一個(gè)自建場(chǎng)，使載流子在基區加速，減小載流子基區渡越時(shí)間，提高頻率響應。

　　在SiGe HBT中，允許提高基區的摻雜濃度，則在保證基區不發(fā)生穿通的前提下，能夠盡量減小基區薄膜厚度(基區寬度)，從而減小基區渡越時(shí)間提高頻率特性。另外利用一些工藝技術(shù)，如多晶硅發(fā)射區自對準技術(shù)可使基區串聯(lián)電阻(包含接觸電阻)降低，提高最高振蕩頻率。

4結論

　　本文對SiGe技術(shù)和Si／Si1-xGex異質(zhì)結特性進(jìn)行了分析，研究了對基區Ge組分進(jìn)行優(yōu)化設計的方向，對器件主要直流特性參數電流增益等進(jìn)行了推算，獲知Ge的組分對β的影響呈指數關(guān)系。根據這一關(guān)系，在保證Si1-xGex薄膜穩定性的前提下，可以適當減小集電結處的Ge組分以增大該處的帶隙寬度，提高電流增益。而減小集電結處的Ge組分會(huì )減弱在基區形成的內建場(chǎng)，在速度要求不高情況下也可以用來(lái)提高電流增益。通過(guò)提高基區Ge的含量和對Ge組分的設計，提高載流子遷移率，在基區形成自建場(chǎng)，可以提高SiGe HBT的頻率特性。在SiGe HBT的設計時(shí)需綜合考慮薄膜穩定性，Ge組分對電流增益和頻率響應的影響，需要在薄膜穩定性與各種晶體管特性參數之間作折中考慮。