用于射頻和微波測試系統(tǒng)的DHBT IC 技術

InP 技術拓展了原有InGaP/GaAs 異質(zhì)結雙極晶體管集成電路HBT IC技術 [1][2]，在不犧牲可靠性和可制造性的基礎上使得測試儀器的性能達到67GHz和54Gb/秒。與GaAs相比InP具有非常優(yōu)異的材料特性，例如更高的飽和及峰值電子速率，更高的熱導率，更低的表面復合速率，以及更高的擊穿電場強度。然而，在傳統(tǒng)的GaInAs 基區(qū)/InP 集電區(qū)雙異質(zhì)結雙極晶體管DHBT中存在集電結異質(zhì)界面導帶不連續(xù)。解決這種 I 型半導體能帶結構所帶來的問題需要認真設計能帶梯度以消除低偏置下集電區(qū)電子的阻塞。與之相比，選擇GaAsSb作為基區(qū)，InP 作為集電區(qū)能夠形成沒有阻塞效應的 II 型半導體能帶結構，同時保持窄的基區(qū)帶隙所具有的低開啟電壓和低功耗特性[3]. 結合其在復雜電路中良好的熱學特性，以GaAsSb/InP為 基區(qū)/集電區(qū)的高速、高擊穿電壓異質(zhì)結雙極晶體管HBT非常適用于測試儀器產(chǎn)品。
II. 制備工藝
制備工藝采用1 μm 臨界尺寸G-線分步光刻。在半絕緣InP襯底上通過分子束外延方法生長異質(zhì)結雙極晶體管 HBTs各外延層，形成 1 × 3 μm2 最小尺寸發(fā)射極和自對準蒸發(fā)基極金屬電極。 采用選擇性和非選擇性濕法腐蝕工藝，以及非選擇性Cl2/Ar-基電感應耦合等離子體(ICP) 干法刻蝕工藝制備發(fā)射極臺面，基區(qū)歐姆接觸電極，基區(qū)/集電區(qū)臺面，次集電區(qū)隔離臺面。等離子體增強化學氣相淀積（PECVD）Si3N4 作為鈍化介質(zhì)。晶體管集成了22歐姆/sq Ta2N 電阻， 250 歐姆/sq WSiN 電阻和PECVD淀積Si3N4 的0.58 fF/μm2 金屬-介質(zhì)-金屬MIM 電容。聚苯丙環(huán)丁烯（BCB）用來實現(xiàn)器件表面平坦化，發(fā)射極、基極、集電極歐姆接觸電極以及其他無源單元通過電極孔淀積金屬實現(xiàn)金屬互聯(lián)。金屬互聯(lián)采用3層TiPtAu：前兩層為6 μm 電極接觸孔，第三層為8 μm電極接觸孔(Fig. 1)。襯底被減薄到90 μm.。通過刻蝕背面通孔和電鍍金實現(xiàn)背面接地(Fig. 2)。背面通孔通過掩膜版和HBr-基ICP刻蝕實現(xiàn)[4] 。
文獻[5] [12]介紹了一些其它InP 雙異質(zhì)結雙極晶體管集成電路DHBT IC技術，它們都采用GaInAs 作為基區(qū)。 GaAsSb-基區(qū)雙異質(zhì)結雙極晶體管DHBT在高速射頻分立器件[13][14]和集成電路 [15][16] 方面均不斷地有相關的研究結果予以報導。本項工作首次報導了在生產(chǎn)環(huán)境下制備的具有高擊穿電壓，200 GHz工作，以GaAsSb為基區(qū)的 InP雙異質(zhì)結雙極晶體管集成電路 DHBT IC工藝。

III.HBT 直流和射頻特性

典型HBT 共發(fā)射極直流特性 (集電極電流—集電極偏置，基極電流間隔30 μA)顯示出這些器件具有良好的電流-電壓特性 (Fig. 3)。在工作電流密度為1.5 mA/μm2下，HBT 器件實現(xiàn)了fT = 185 GHz，fmax = 220 GHz 以及峰值 fT > 200 GHz。 在比InGaP/GaAs HBT 大的多的電流密度范圍內(nèi)截至頻率保持在很高的水平(Fig. 4).
共基極模式開態(tài)擊穿壓(BVcbx)發(fā)生在集電極—基極電壓為9 V，集電極電流為JC = 1.3 mA/μm2時。共發(fā)射極模式開態(tài)擊穿(BVceo) 發(fā)生在集電極—發(fā)射極電壓接近7V時。
IV.可生產(chǎn)性

工藝的設計考慮到性能、可靠性和可生產(chǎn)性之間的平衡。從成品率損失Pareto 圖 Fig. 5 中可以看出發(fā)射區(qū)/基區(qū)短路是影響成品率的主要原因，基區(qū)電極柱損失是影響遠小于發(fā)射區(qū)/基區(qū)短路的第二個原因。影響成品率的其它失效模式的影響相對較小，都在測試不確定范圍內(nèi)。由500個晶體管組成的典型電路所達到的成品率已能夠滿足小規(guī)模儀器的應用應用。