异质结原理

1DepartmentofMicroelectronicsFudanXieHaifen异质结原理及其在高速双极器件中的应用2异质结原理与其在高速双极器件中的应用介绍异质结的原理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HBT的应用展望3介绍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.4HBT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。介绍5介绍(0.9-2GHz)(10-25GHz)(3-40GHz)(2.4-5.2GHz)6异质结的原理掺杂工程--能带工程分开时能带真空能级2q2gE2cE2FE2VEVE2WCE1CE1FE1VE1gE1q1W1212N(Ge)P(AsGa)7形成异质结后的能带VECE1CE1FE1VE1q1W2q2cE2VE2W2DV1DV真空能级Np8同质双极型与异质双极型的比较能带图比较9Si同质结双极晶体管AlGaAs/GaAs异质结双极晶体管掺杂分布比较10异质结双极晶体管的特性分析载流子运输模型扩散模型，热电子发射模型，隧道模型异质结考虑：异质结能带断续，能带渐变及各种复合11异质结双极晶体管的特性分析渐变异质结及Ｉ-Ｖ特性Anderson扩散理论1exp1101kTqVLnqDjannnl1exp22022kTqVLppqDjaPP1exp212021012kTqVLppqDLnnqDjjjaPnPnl12iinPpnlnPpnlpnnnpnLLDDpnLLDDjj22201012122201012221,则iinn211221ADnPpnpnNNLLDDjj结论：同质结中注入比主要取决于ｎ区和ｐ区的掺杂浓度比12/ADNN注入比同质结13异质结中注入比kTEhmmkTngnpi2exp)()2(234323kTEENNmmLmmLDDjjggADnpnnpPpnlpn/)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ΔＥｇ呈指数关系结论：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gE14异质结双极晶体管的特性分析突变异质结及Ｉ-Ｖ特性扩散模型：能量大于的电子以扩散方式向窄带区运动.热电子发射模型：电子以热电子发射，发射速度运动,cm/s向前运动，这样大大缩短在基区的渡越时间.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。2DqV871010V15突变异质结及Ｉ-Ｖ特性扩散模型加正向偏压后的理想突变异质结能带图kTqVkTqVkTqVLDDqxJaaDNnn122121expexpexp若正向偏置时kTqVJa2exp结论：总电流与外加偏压呈指数变化关系16突变异质结及Ｉ-Ｖ特性热电子模型kTqVkTqVkTqVmkTqxNJaaDD122212expexpexp2kTqVkTqVkTqVLDDqxJaaDNnn122121expexpexp扩散模型17IcISCR,EIint.EIint.BISCR.BIbulkEvIP发射区基区ICIBSIES18psrnEEIIIIbrsrPtrfrsrVrPBIIIIIIIIIbrnEBEIIIIIc19共发射极电流增益brsrpbrnEBCIIIIIIIPnEIImax异质结的注入比PnEII提高brIIsr20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ΔEv.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。21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22基区设计与基区的渡越时间有关BBBDW2/2qkTDB/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结论:Tf23HBT应用于开关电路RB为基区电阻,降低RB可以缩短开关时间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区组分,使禁带宽度发生变化,产生的附加电场减小了少子在基区的渡越时间.LLCLBCBsRCCRRCR)3(25)(212ggBBEEqWBggqWEEE2124集电区的设计τＣ=ＷC/2Vs+Ｃc(ＲＥ+ＲＣ)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小ＣＣ,收集区采用较低掺杂浓度.25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1018—1019ｃｍ-3收集区的浓度为1016ｃｍ-3ＥＣ的欧姆接触区浓度要大于1018ｃｍ-326HBT应用展望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27SiGeHBT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,SiGeHBTCMOS工艺1994商用化产品1998德国TEMIC工业化的SiGeHBT工艺。IBM(BlueLogicBiCMOS5HP工艺（SiGeHBT和3.3V0.5umCMOS结合。28WhyusingSiGeCi.s.o.SiGe?CarboncansuppressboronTEDtoreduceboronout-diffudionintopoly-emitterandcollectorbelow.TheBoomingofWirelessandBroadbandWorldfromY2K290.43μm0.26μmEmitterelectrodeSiGeintrinsicBaseBaseelectrode30SiGeHBT特点SiGe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SiGe不仅可以在高频领域战胜Si,而且可以在低成本方面战胜GaAs31SiGe/Si异质结特点Si/SiGe异质结结构特性可以大大提高晶格匹配，载流子的迁移率、载流子的饱和速度以及二维载流子气浓度,所以SiGe用于SiGeHBT的应用展望：高频、高速、光电、低温等器件及集成电路大大提高它们的性能。32SiGe/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33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。34小结35展望SiGeHBT低功耗和更高的开关速度；在LF＆RF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Si工艺巨大的经济性。36IBM高‘性能120GHzSiGeHBT(0.18umCMOS)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SiGe芯片制造服务。开发下一代蜂窝电话SiGe增强型芯片组Sony:第一个SiGe工艺用于代工服务SiGe晶体管截止频率为50GHz目标是移动电话、无线LAN和光纤网络应用，第三代移动通信系统（射频前端展望37Thankyou