SiGe半導體在微電子技術發展中的重要作用

龍炬泉

摘要：半導體技術的發展與進步是實現集成電路的關鍵，推動著電子產品的微型化以及高性能化發展。本文將對SiGe半導體在微電子技術發展中的應用進行探討，研究其對于微電子行業的重要作用。

關鍵詞：SiGe半導體;微電子技術;場效應晶體管

中圖分類號：TN304 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）05-0225-01

0 引言

在半導體行業發展初期，以仙童半導體為主要代表的硅谷半導體企業都著重研究硅（Si）的半導體性能以及其在晶體管、集成電路中的有效應用。從Si技術中衍生而來的SiGe半導體得到了有效的開發利用，SiGe半導體是將硅片的性能進行了改變，采用的手段多為能帶工程以及應力工程等，在使用過程中滿足硅半導體通用的易加工特點，應用前景廣泛，在微電子技術領域尤其是集成電路中能夠發揮出重要價值。

1 SiGe半導體在雙極性晶體管中的應用

1.1 雙極性晶體管介紹

雙極性晶體管指的是在源漏電極溝道內既可以通過電子傳輸也可以進行空穴傳輸的晶體管，通常而言，這類晶體管的功耗大且工作頻率高、噪聲小，在高頻模擬電路中有著重要的應用價值。但是，雙極性晶體管由于半導體材料的限制，在應用到高頻模擬電路中時存在著一系列問題，很難保證信號傳輸的超高頻和超高速，這是因為雙極性晶體管本身就存在著很多固有的限制，同時，由于雙極性晶體管在提高基區摻雜濃度以及基區寬度方面有很大的技術限制，使得基極電阻做不到極低的程度，這也使得BJT達不到高頻模擬電路關于低噪聲的要求[1]。

為了提高雙極性晶體管BJT在高頻模擬電路中的應用，科學家提出異質結雙極性晶體管來克服原有晶體管的問題。異質結雙極性晶體管HBT采用的半導體材料其禁帶寬度通常較大，要在基區禁帶寬度之上，因此在使用時可以采用異質結發射的方式工作。與BJT相比，異質結的采用使得HBT能夠保持較高的發射結注射速率，并且在此前提下使得基區摻雜濃度提高，發射區摻雜濃度降低，如此便可實現對器件基區寬度的調整效應的減弱，在器件工作時，基極電阻減小并且發射結勢壘電容降低、基區渡越時間也能夠更好的控制，有效實現了超高頻、超高速以及低噪聲的高頻模擬電路工作要求。

1.2 基于SiGe半導體的異質結雙極性晶體管

SiGe半導體主要用于HBT中基區材料使用，而發射區用的半導體材料選擇Si，因此基于SiGe半導體的HBT內部存在著Si/SiGe異質結。這是因為Si本身具備與Ge相似的電子親和能，因此Si/SiGe異質結的導帶第能量突變值就很小甚至可以忽略不計，在Si/SiGe異質結中可以通過禁帶寬度之間的差異構筑額外空穴勢壘，這一空穴勢壘的存在使得空穴無法從SiGe傳輸到Si中，與此相反能夠使得Si/SiGe異質結注入電子的效率大大提升。因此，Si/SiGe異質結可以有效應用到n-p-n型異質結雙極性晶體管的發射區，使得晶體管的電流放大系數大大提升，同時這一電流放大系數基本不受發射結兩邊摻雜濃度的影響[2]。

與砷化鎵等化合物半導體相比，SiGe半導體應用到異質結雙極性晶體管中有很多優勢。首先，SiGe半導體是基于硅半導體衍生而來的，因此無論是加工手段還是制作成本控制都十分成熟，制作集成電路時也更加便捷;其次，由于SiGe半導體在應用時產生了異質結，因此在采取各種措施時不必過多的考慮電流放大系數因素的影響，在工作過程中更為有效的提升電流輸出頻率和速率，保證在應用到高頻模擬電路時的高頻、高速、低噪聲;而且，這類晶體管基區的Ge分布是不均勻的，這有利于漂移電場的產生，使得載流子渡越基區構筑更加快速，這就使得基于SiGe半導體的HBT截止頻率和最高震蕩頻率都較高，在應用到射頻技術時也能夠發揮重要價值;最后，與砷化鎵相比，基于SiGe半導體的HBT擊穿電壓更低，在應用到高頻小功率器件中也能夠發揮作用。

1.3 n-p-n型SiGe-HBT的制作

異質發射結的制作是這類晶體管制作中首先需要關注的問題，由于硅材料和Ge材料在晶格常數方面存在較大的差異，因此在實際制作過程中難以制備出晶格完整的異質結，在異質結界面往往存在著很多晶格的失配位錯，這樣的失配位錯難以應用到異質結晶體管以及諧振隧穿二極管和超晶格器件中。在制備Si/SiGe異質結時采用最多的技術為外延技術，這一技術可以通過生長膜厚的控制實現SiGe和Si之間的彈性調節從而避免失配位錯的出現。但要注意在制備Si/SiGe異質結時需要控制膜的厚度使得其在臨界厚度之下，一旦超過臨界厚度就會發生晶格弛豫，導致生長出的膜為贗晶膜，基極電流因此增加，應用性降低[3]。另外，還需要在制備過程中 注意 SiGe基區中可能出現的問題，主要集中在Ge組分的分布形式以及基區中其他雜質如硼的外擴散控制。器件在大的注入電流下可能發生基區擴展效應，而這一現象可以通過控制SiGe中的Ge組分分布來有效控制，并且維持截止頻率和最大震蕩頻率在最高水平。而對于外擴散現象需要進行注意，這一現象的發生可能會導致pn結位置的變化，這對于器件整體的遷移率或者開關比都會有較大的影響，在制作器件時需要對基區結構加以優化，使得集電結處的本證SiGe在原有的基礎上厚底適當增大并且摻雜硼基區厚度適當減小，這樣就能控制集電結更多的分布于Ge足跟較高的區域，保證器件性能。

2 SiGe半導體在場效應晶體管中的應用

基于SiGe半導體進行了一系列場效應晶體管的研究，其中當前應用最為廣泛以及研究最為深入的屬于應變SiGe異質結場效應晶體管。作為第二代SiGe-MOS器件，能夠充分利用SiGe能帶工程來實現對帶隙以及晶格常數的調控，實現了摻雜工程與應變工程的結合。這類場效應晶體管采用的溝道為二維電子氣和二維空穴氣的應變溝道，使得載流子遷移率大大提高，已經超過了2000cm2/V.s。對于n型器件即電子傳輸的場效應晶體管而言，采用Si1-xGex作為虛擬襯底生長應變溝道，這樣就可以使得量子溝道深度通過Ge組分的增加而進行調控，并且在溝道中可以適當的進行p型或者n型摻雜，達到想要的閾值電壓調控。對于p型即空穴傳輸的晶體管而言，構筑壓應變的Si1-xGex，該溝道在Si襯底上進行生長。當前，基于GeSi的應變場效應晶體管得到了良好的發展并且使得載流子遷移率以及閾值電壓等都能夠有效控制，可以在諸多場合使用，實現高速、高跨導、低噪聲以及高線性度的集成電路應用。

3 結語

綜上所述，SiGe材料對于完善半導體材料體系以及增強雙極性晶體管以及場效應晶體管等方面有著重要的作用，是繼單晶硅材料、砷化鎵之后又一具備良好應用前景的材料，在集成電路領域能夠得到有效應用，推動微電子技術領域的進一步發展。

參考文獻

[1] 馬羽，王志寬，崔偉.SiGe集成電路工藝技術現狀及發展趨勢[J].微電子學，2018（4）：508-514.

[2] 潘柏臣，張保國，趙帥，等.用于最新技術節點Ge和SiGe的CMP技術研究進展[J].微納電子技術，2016（9）：623-629.

[3] 南超州.基于SiGe工藝的射頻前端高性能模塊設計[D].浙江大學，2012.