微波功率晶體管增益-頻率研究

劉秋妤，李 媛

（渤海大學新能源學院，錦州121013）

1 引 言

近些年來，伴隨著技術的不斷發展，很多優質并且價格優惠的微波晶體管不斷出現，從分立器件到MMIC，這些微波晶體管被廣泛應用到通信、遙測、雷達、導航、生物醫學、電子對抗、人造衛星、宇宙飛船等各個領域[1-3]。在實際應用中，由于設備和電路的差異，對晶體管特性的要求也各不相同，除直流特性以外，其他特性可能只對其中的某幾項做出要求，比如：盡可能提高工作頻率、增大輸出功率、降低噪聲、提高開關速度、提高可靠性和降低成本等。從工藝設計角度來看，不同特性之間存在著相互制約的關系，所以在設計時就要為了某個主要特性犧牲一些次要特性，尋求平衡的方案。基于此，針對影響微波晶體管特征頻率fT與電流放大倍數β 的各個因素進行仿真研究，嘗試調節雙極型硅微波晶體管的襯底濃度，基區、N+區、P+區離子注入和材料參數中的載流子壽命等因素使之達到對器件功能的最優組合。

2 器件結構及相關工藝的選擇

硅微波晶體管具有芯片面積小、電流容量大、特征頻率高等特點。此類器件芯片在設計和制造上的難點主要有兩點：一是在較小的芯片面積上，所設計的發射區條寬、發射區周長以及各區摻雜濃度、結深等參數如何滿足產品電流容量、大電流直流增益及飽和壓降等的要求；二是芯片結構參數設計及外延層質量的控制如何做到同時滿足低飽和壓降、集射擊穿電壓、特征頻率及開關時間的要求。

雙極型硅微波晶體管器件結構如圖1 所示。對其基本結構參數及工藝參數的選取有如下考慮[4-6]：

晶體管單元寬度（相鄰基極中點之間的距離）為0.8μm；對于硅微波晶體管，著重考慮其頻率特性和電流容量，因此外延層厚度較薄，摻雜濃度較高，因此，取N 型外延層厚度為1μm，外延層砷摻雜濃度為2×1016cm-3，外延層少子壽命為5μs；為制備薄基區，基區雜質注入劑量和注入能量較低，工作基區硼注入能量為18keV，注入劑量為2.5×1013cm-2；為消除離子注入對硅的晶格損傷，采用退火處理，工作基區退火時間為60min，退火溫度為920℃；晶體管工作基區表面濃度為4×1018cm-3，工作基區結深為0.29μm。

為同時提高硅微波晶體管的截止頻率并改善基區電阻自偏壓效應，硅微波晶體管采用多晶硅發射極結構。多晶硅發射極厚度為0.3μm，多晶硅發射極寬度為0.4μm。

為降低多晶硅與金屬電極的接觸電阻并調整多晶硅功函數，對多晶硅進行砷摻雜，砷注入劑量為7.5×1015cm-2，注入能量為50keV。

為降低多晶硅及硅材料中的溫度誘生缺陷，采用低溫退火工藝。在干氧氣氛中退火25min，溫度為920℃；隨后在氮氣中退火50min，溫度為900℃，形成發射區結深為0.079μm，發射區表面濃度為1.8×1020cm-3，多晶硅峰值濃度為5×1019cm-3。

采用大面積二次注硼，實現發射區與基極之間硼的橫向變摻雜，利用內建電場增強少子的輸運，降低少子復合損耗。二次硼注入劑量為2.5×1013cm-2，注入能量為18keV。

淀積側墻氧化層，氧化層厚度為0.4μm；干法刻蝕氧化層，刻蝕氧化層厚度為0.5μm。基極接觸區域硼注入（三次硼注入），注入劑量為1×1015cm-2，注入能量為30keV。退火時間為60min，溫度為900℃，氮氣氣氛。

基極接觸區硼表面濃度為3.5×1019cm-3。金屬電極厚度為0.05μm。

圖1 雙極型硅微波晶體管結構

3 器件仿真及結果分析

仿真在基于上述結構及工藝設計下進行，環境溫度設定為27℃（300K）。在對生成器件結構的電性能的仿真中，針對特征頻率測試和電流放大倍數的測試，設定集電極偏壓為2V，基極偏壓在0.2~0.9V范圍內掃描，步進電壓為0.05V，基頻為1MHz。在仿真過程中考慮了硅材料載流子遷移率受硅材料摻雜濃度、電場的影響，載流子的SRH 復合損耗受到硅材料摻雜濃度的影響，載流子復合損耗同時受到俄歇復合的影響；另外還考慮了fermi 載流子統計分布模型。

聲子躍遷發生在半導體禁帶的一個陷阱（或缺陷）中，實際上是一個兩步的過程，先是由Shockley導出，其后又有Hall 進行推導，從而得出Shockley-Read-Hall 復合模型[7-8]：

ETRAP 是陷阱能級和固有費米能級之間的差值，TL是晶格的開氏溫度，TAUN0和TAUP0是SRH復合電子和空穴的壽命。

特征頻率fT的定義是電流放大倍數β 值降為1時的晶體管工作頻率。它是表征高頻晶體管放大能力的一個參量。對于雙極型晶體管而言，也被稱為增益帶寬積[9]。

分貝是放大器增益的單位，當放大倍數用分貝來表示時，就被稱之為增益。放大倍數與增益是同一概念的兩種稱呼。三極管的放大倍數也被稱為三極管的電流分配系數，通常用希臘字母β 表示。β 的計算方式為漂移到集電區的電子數或其變化量與在基區復合的電子數或其變化量之比[10]。

圖2 為襯底摻雜濃度對雙極型硅微波晶體管電流放大倍數β 和特征頻率fT的影響。由圖可見，隨著外延層摻雜濃度的增大，β 先減小后增大，而fT一直增大。當外延層摻雜濃度較低時，隨著外延層摻雜濃度的增大，外延層少子壽命隨之減小，導致少子電流復合損耗增大，從而使得電流放大倍數隨著外延層摻雜濃度的增大而減小。

當外延層摻雜濃度較高時，集電區電導調制效應減弱，集電極電流增大，從而使得電流放大倍數隨著外延層摻雜濃度的增大而增大。隨著外延層摻雜濃度的增大，對集電結勢壘電容和發射結勢壘電容充放電電流增大，導致晶體管特征頻率隨著外延層摻雜濃度的增大而增大。對于下一步工藝來說，增大襯底濃度使得載流子濃度減小，載流子壽命也減小，所以fT一直增大。若襯底濃度較小，器件整體結構不受影響；襯底濃度過大時，就會影響器件基區濃度，從而影響禁帶寬度。襯底濃度過大，就改變了晶體管結構，使放大倍數減小。所以放大倍數先減小，之后又增大。

圖2 不同襯底濃度下fT 與β 曲線

圖3 為基區注入離子濃度對雙極型硅微波晶體管電流放大倍數β 及特征頻率fT的影響。由圖可見，注入離子濃度越大，fT與β 越小；注入離子濃度越小，fT與β 越大。隨著基區硼離子注入劑量的增大，基區輸運系數降低，從而導致電流放大倍數隨著基區注入劑量的增大而減小。仿真中器件襯底為砷，濃度為2×1016cm-3。當注入硼時，形成P 型基區，改變一側摻雜濃度就相當于改變了基區寬度。增大摻雜濃度時，就會增大基區厚度。基區厚度增大，載流子所需渡越時間也增大，電流損耗就大。所以注入濃度越高，特征頻率以及放大倍數越小，呈現如圖3 所示變化。

圖3 不同基區注入離子濃度下fT與β 曲線

圖4 為不同N+區注入離子濃度對雙極型硅微波晶體管電流放大倍數β 和特征頻率fT的影響。由圖可見，多晶硅注入離子劑量越大，fT與β 越大；增大多晶硅注入劑量就是增加了N+區濃度，增大了埋層與N+區之間的濃度差，相當于增加了重摻雜一側濃度，結深增大。隨著發射區注入劑量的增大，發射區注射效率增大，從而導致電流放大倍數隨著發射區注入劑量的增大而增大。同時，因為多晶硅中離子是通過擴散的方式進入到襯底，形成N+區的，所以改變擴散時間與溫度也會改變N+區濃度。溫度不變，擴散時間越長，N+區濃度越大。放大倍數與特征頻率越大，擴散時間越短，N+區濃度越小，放大倍數與特征頻率越小。擴散時間不變，溫度越高，N+區濃度越大，放大倍數與增益頻率乘積越大，溫度越低，N+區越小，放大倍數與特征頻率越小。

圖4 不同N+區注入離子濃度下fT 與β 曲線

圖5 為P+區注入離子濃度對雙極型硅微波晶體管電流放大倍數β 和特征頻率fT的影響。由圖可見，隨著P+區硼離子注入劑量的增大，β 先增大后減小，fT一直減小。P+區硼離子注入劑量的增大，導致集電結及發射結空間電荷區變窄（在特征頻率測試中集電極施加偏壓的情況下），導致集電結和發射結勢壘電容增大，勢壘電容充放電時間加長，從而使得晶體管特征頻率隨著P+區硼離子注入劑量的增大而降低。另外增大注入硼濃度，增大了P+區離子濃度，使得基區厚度增大，所以fT減小。在P+區硼離子注入劑量較低時，隨著P+區硼離子注入劑量的增大，在一定程度上增強了基區自建電場，導致基區輸運系數隨之增大，進而使得電流放大倍數隨著P+區硼離子注入劑量的增大而增大。在P+區硼離子注入劑量較高時，隨著P+區硼離子注入劑量的增大，導致發射區注射效率降低，從而使得電流放大倍數隨著P+區硼離子注入劑量的增大而減小。當增大注入濃度使N+區離子濃度減小，發射極電流會先增大后減小，所以放大倍數先增大后減小。

圖5 不同P+區注入離子濃度下fT 與β 曲線

圖6 為SRH 復合的電子壽命及空穴壽命對雙極型硅微波晶體管電流放大倍數fT和特征頻率β的影響。由圖可見，β 隨SRH 復合的電子壽命和SRH 復合的空穴壽命逐漸增大，fT隨SRH 復合的電子壽命和SRH 復合的空穴壽命逐漸減小，減小的程度也越來越小。隨著外延層少子壽命的增大，少子電子在基區輸運過程中的復合損耗降低，基區輸運系數增大，在發射區注射效率不變的情況下，硅微波晶體管電流放大倍數隨之增大。

當少子壽命增大到一定值時，少子在基區及集電區中的擴散長度較長（少子壽命越高，少子擴散長度越長），其遠遠大于基區寬度和集電區厚度，因此，少子壽命增大到一定時，電流放大倍數隨著少子壽命的增大，上升的幅度變緩。隨著少子壽命的增大，各個結電容的充放電時間變長，從而導致隨著少子壽命增大，晶體管特征頻率降低。載流子壽命的減小意味著在少子器件里，載流子消失得很快，頻率提高。而載流子壽命的減小也意味著電流的減小，所以β 也減小。

圖6 不同SRH 復合的電子及空穴壽命下fT 與β 曲線

綜上所述，增大外延層摻雜濃度不僅有利于提高電流放大倍數，也有利于提高晶體管特征頻率；增大基區注入劑量對電流放大倍數和特征頻率的提高有不利影響；增大發射區注入劑量有利于提高電流放大倍數和特征頻率；電流放大倍數和特征頻率對P+區注入劑量的要求存在矛盾，降低P+區注入劑量有利于提高特征頻率，但不利于提高電流放大倍數；電流放大倍數與特征頻率對外延層少子壽命的要求存在矛盾，提高外延少子壽命有利于提高大電流放大倍數，但不利于提高特征頻率。

4 結 束 語

利用TCAD 半導體器件仿真軟件對雙極型硅微波晶體管結構參數、工藝參數及輸出特性進行仿真研究，得以全面系統地分析了外延層材料摻雜濃度、少子壽命、基區和發射區注入劑量和注入能量對雙極型硅微波晶體管電流放大倍數和特征頻率的影響。通過仿真得到：增大外延層摻雜濃度、降低基區注入劑量、增大發射區注入劑量有利于提高電流放大倍數和特征頻率。增大外延層少子壽命有利于電流放大倍數的提高，但不利于特征頻率的提高。這一仿真結果可為硅微波器件的設計和制備提供有意義的參考信息。