SiGe異質雙極晶體管基區的設計

【摘 要】對于SiGe異質結雙極晶體管器件的設計來說，最重要的就是對它的基區如何設計，基區設計的不同也是SiGe異質結雙極晶體管性能優于一般Si雙極晶體管的根本所在，而且不同的設計方法會造成器件的性能的巨大差別，本文主要介紹了它的雜質分布、基區寬度、Ge組分的設計。

【關鍵詞】SiGe;異質;基區;設計

0.引言

隨著現代移動通信以及微波通信的發展，人們對半導體器件的高頻以及低噪聲等性能要求日益提高。傳統的硅材料器件已經無法滿足這些性能上新的要求， 而GaAs器件雖然可以滿足這些性能，不過它的高成本也讓人望而卻步。鍺硅異質結雙極晶體管的高頻以及噪聲性能大大優于硅雙極晶體管，可媲美GaAs器件，而且它還可以與傳統的硅工藝兼容，大大降低制造成本，所以鍺硅異質結雙極晶體管在未來的移動通信等領域具有非常廣闊的應用前景。本文主要介紹了SiGe異質結雙極晶體管基區的設計。

1.基區雜質分布設計

SiGe異質結雙極晶體管與Si雙極晶體管相比，由于EB結間存在價帶突變量△EV，電流增益β不再主要由發射區和基區雜質濃度比來決定，這給HBT的設計帶來了更大的自由度。為減小基區電阻和防止低溫下載流子的凍析，可增加基區的雜質摻雜濃度Nb，基區雜質摻雜濃度Nb越高，它的摻雜濃度向低摻雜發射區遞減的斜率也就越大，從而產生減速場，因此SiGe HBT在基區制作時應該盡量讓EB結為突變結以避免額外的減速場，所以為了達到渡越時間最短，理想的基區摻雜濃度是讓它的峰值正好在EB結上，而且按指數規律向集電區遞減，這樣可以產生一個恒定的加速場。

在常溫下，在基區生長過程中如果采用基區雜質緩變分布，對基區摻雜濃度沿著集電區到發射區方向遞增生長，則從發射區側到集電區方向雜質濃度會逐漸減少，形成一個由摻雜效應引起的內加速場，提高基區電流理想因子η，減小基區渡越時間τb，提高器件特征頻率fT。比如，當基區摻雜濃度由發射區側的5×1019cm-3降低到集電區側的1×1017cm-3時，就會產生大約80meV的導帶變化，相當于增加12％的Ge組分所產生的加速場。但如果HBT基區重摻雜，考慮到重摻雜禁帶窄變(BGN)效應的影響后這種改善將被大大削弱。

而在溫度在77K時，如果想通過基區雜質緩變來減少τb，其雜質分布應是從發射區側到集電區側逐漸上升，這正好和在常溫下的器件特性相反。在Wb較小時，增加Nb，可防止基區的穿通。基區Nb的增大除了使Dn減小外還存在著一些其它的不利影響，如當Nb較大時，在HBT的制備過程中基區的雜質極易向外擴散，使Si/SiGe異質結和n-p+結不再完全重合，導致器件特性的退化[1-2]。同時，高Nb也易使EB結隧穿電流增大，導致基區復合電流增大，基區電流理想因子η大于1，在低溫下η遠大于1，也易使GBE增大，BVEBO下降。因此，Nb應根據對器件的要求和所采用的工藝合理選擇，同時還應結合發射區摻雜濃度綜合考慮。但是如果一味提高發射區的摻雜濃度，就會在發射結處形成一個隧道結，導致了漏電流的增大，反而會減小注入比，并導致器件特性的破壞。加大發射區摻雜濃度的另一個不利因素是使發射結結電容加大，導致了開關晶體管時的電荷抽取時間增大，致使截止頻率下降。因此發射區的摻雜濃度不宜太大，一般來說，SiGe HBT的基區的摻雜濃度要比發射區的摻雜濃度高出約兩個量級，在1017-1018cm-3數量級為宜，并且發射區的寬度也不能太寬，以便降低發射區的體電阻。我們一般在仿真中設計發射區寬度為1000。

2.基區寬度設計

在晶體管器件中基區寬度Wb對特征頻率fT的影響是很大的，基區寬度Wb越小，基區渡越時間τb就越小，相應地特征頻率fT就越大。但是基區寬度Wb過小就會使基區電阻Rb增大，導致最高震蕩頻率fmax減小。而且薄的基區相當容易被穿透，嚴重影響晶體管的性能。而為防止基區穿透就必須增大Nb，Nb過大帶來的問題上文已有討論。提高fT和減小Rb的要求是互相矛盾的，所以在設計中要根據對fT和fmax的要求來折衷考慮設計Wb，同時還要考慮到應變SiGe層臨界厚度的限制。

3.基區Ge組分的設計

對Si1-xGex合金基區來說，Ge組分x越大，EB結處價帶的突變量就越大，這有利于改善器件的頻率特性，增大厄利(Early)電壓VA，提高電流增益β，故增大基區Ge組分對提高器件的性能非常有利，但要由于Si和Ge之間存在較大的晶格失配，所以考慮到臨界厚度的限制，能夠允許的Ge的最高組分卻是有限的，一般人們在10％～30％之間設定Ge的含量。而且Ge的分布形式不同，對器件性能也有很大的影響，目前SiGe合金基區中Ge的含量分布形式主要有三種：矩形，三角和梯形。

矩形結構以德國TEMIC公司Daimler-Benz研究中心采用的DBAG結構為代表，對Ge均勻分布的基區來說，特別適于要同時保持低基區電阻和一定電流增益的晶體管。而IBM公司則選擇了三角結構。另外也有人提出了在基區生長過程中將Ge組分沿發射區到集電區遞增式生長的梯形結構來提高異質結雙極晶體管的特征頻率fT。

4.小結

本文介紹了SiGe異質雙極晶體管基區的設計，主要介紹了基區的雜質如何分布、基區寬度、Ge組分如何設計。為SiGe異質雙極晶體管器件結構的設計奠定了良好的基礎。 [科]

【參考文獻】

［１］E J Prinz，P M Garone，P V Schwartz.The Effects of Base Dopant Outdiffusion and Undoped SiGe Junction Spacers in Si/SiGe/Si HBTs.IEEE Trans 1991，12(2):42-45.

［２］J W Slotboom，G Streucker，A Pruijmboom.Parasitic Energy Barriers in SiGe HBTs.IEEE Tran.1991，12(9):486-488.