Ge組分對SiGe HBT主要電學特性的影響

0 引言

　　SiGe基區(qū)異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(SiGe HBT)是利用SiGe合金特性制成的器件。自1987年采用MBE技術(shù)首次制作出SiGe基區(qū)HBT以來，SiGe集成電路的規(guī)模和電路的速度不斷發(fā)展，電流增益和頻率響應(yīng)等性能已經(jīng)接近或達到了化合物異質(zhì)結(jié)器件的水平。而SiGe異質(zhì)結(jié)技術(shù)和傳統(tǒng)的Si集成電路相比，在工藝上并未增加大的復(fù)雜性，且成本低于化合物半導體器件。最新的SiGe HBT的研究表明已研制出超過200 GHz電流增益峰值達到400的晶體管，并且低溫下fT達到200 GHz的SiGeHBT也已制成。

　　Ge的電子遷移率是Si的2.6倍，空穴遷移率達到Si的3.5倍。而器件的速度最終取決于在一定的電壓下載流子被"推動"而通過器件的速度。通過對SiGe HBT的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的設(shè)計，可以定向地對SiGe HBT的能帶結(jié)構(gòu)進行剪裁，在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用Si1-xGex薄膜作基區(qū)，發(fā)射結(jié)的帶隙寬度變化使電子注入基區(qū)的勢壘降低，使發(fā)射效率提高，電流增益增大。通過對基區(qū)Ge分布的設(shè)計使得基區(qū)產(chǎn)生一個內(nèi)建電場，減小載流子的基區(qū)渡越時間從而使fT得到提高，制成超高頻晶體管。因此如何通過設(shè)計器件結(jié)構(gòu)和控制Ge的組分，包括對Si1-xGex合金的x值的選擇和對Ge分布形狀的設(shè)計，使器件獲得更好的電學特性，充分發(fā)揮異質(zhì)結(jié)半導體器件的特性成為這一領(lǐng)域研究的重點之一。

　　綜上所述，SiGe HBT的電學特性參數(shù)fT和β與Ge的含量和分布關(guān)系密切，本文通過計算分析，得到SiGe HBT中Ge的組分和含量對其主要電學特性的影響。

1 Si／Si1-xGex異質(zhì)結(jié)與SiGe HBT

1.1 Si1-xGex異質(zhì)結(jié)

　　在異質(zhì)結(jié)晶體管中基區(qū)采用帶隙寬度較小的半導體材料，而發(fā)射區(qū)采用帶隙寬度較大的半導體材料，可以使器件獲得高的發(fā)射效率。通過改變異質(zhì)結(jié)中兩種材料的組分，改變材料的結(jié)構(gòu)和帶隙寬度，使結(jié)的過渡漸變，引起導帶和價帶產(chǎn)生能量梯度，則帶隙寬度的漸變產(chǎn)生的等效內(nèi)建電場使載流子的渡越時間減小。對于SiGe HBT，通過對基區(qū)Ge組分的設(shè)計在基區(qū)形成內(nèi)建場，減小載流子基區(qū)渡越時間，進一步提高器件的速度。

　　Si的帶隙寬度為1.11 ev，Ge的帶隙寬度為0.67eV，用化學氣相沉積(CVD)的方法通過控制氣體比例可以獲得Si1-xGex合金，合金的帶隙寬度在0.67～1.11 eV。很多晶體管參數(shù)都與能帶結(jié)構(gòu)有著直接的關(guān)系，而Si1-xGex合金綜合了Si和Ge各自能帶的特點，故會對其特性有較大的改善，而且由于Si1-xGex的帶隙寬度較小，適合于作HBT的基區(qū)以提高發(fā)射效率。

　　在兩種半導體的界面上，由于存在著帶隙的差異，如圖1所示，其能帶會在導帶底或價帶頂出現(xiàn)不連續(xù)的情況，導帶底出現(xiàn)的勢壘尖峰會阻止非平衡少數(shù)載流子(電子)由發(fā)射極的注入，從而會降低發(fā)射效率γ。但越過勢壘尖峰的電子會獲得更高的能量，在基區(qū)有更高的速度，可以改善器件的頻率特性。

　　對于晶體管的設(shè)計，需要在相互關(guān)聯(lián)的性能因素中進行折中考慮，為了縮短基區(qū)渡越時間提高晶體管的截止頻率，需盡量減小基區(qū)寬度。而當基區(qū)寬度減小時，器件會受到基區(qū)穿通效應(yīng)的限制，在集電結(jié)耗盡層隨反偏電壓的增高和發(fā)射結(jié)耗盡層相連時(基區(qū)寬度變?yōu)榱?，發(fā)生基區(qū)穿通。而耗盡層寬度受摻雜濃度影響，增加基區(qū)摻雜濃度可以減小耗盡層的厚度，防止基區(qū)穿通的發(fā)生，但是隨著摻雜濃度的提高，發(fā)射效率會降低，提高了基區(qū)的摻雜濃度，發(fā)射區(qū)的摻雜濃度也需相應(yīng)地提高，否則會造成電流增益的下降。而SiGe HBT的基區(qū)材料帶隙較窄，發(fā)射區(qū)材料帶隙較寬，在進一步提高基區(qū)的摻雜濃度時不會對電流增益產(chǎn)生大的影響。

1.2 Si1-xGex薄膜

　　為了保證器件載流子的遷移率，需要小心地外延Si1-xGex薄膜，Si和Ge的晶格常數(shù)相差約為4％。對于Si1-xGex合金，當其薄膜厚度較小，Ge含量較低時，Si1-xGex薄膜中價鍵處于一種畸變的狀態(tài)，晶格發(fā)生彈性應(yīng)變，以贗晶形式生長，晶格失配較小，不會產(chǎn)生位錯失配，彈性應(yīng)力將保持薄膜的穩(wěn)定。而當薄膜厚度到達一定程度之后，贗晶體體內(nèi)積累的應(yīng)力增大到一定程度時，就會因晶面滑移而形成位錯失配，所以要保證薄膜的厚度在不產(chǎn)生位錯的范圍內(nèi)。圖2為SiGe薄膜臨界有效厚度曲線圖。在制造工藝中，熱氧化工藝、熱擴散摻雜等工藝技術(shù)需要的溫度較高，離子注入摻雜后需要進行退火處理，這對Si1-xGex合金的熱穩(wěn)定性也有一定要求。

　　超高真空化學氣相沉積(UHV／CVD)是在低壓化學氣相沉積(LPCVD)的基礎(chǔ)上，把超高真空技術(shù)與化學氣相沉積技術(shù)相結(jié)合，進一步發(fā)展出的一種新型異質(zhì)結(jié)生長技術(shù)。UHV／CVD外延過程本質(zhì)上屬于反應(yīng)速率控制生長速率，可以實現(xiàn)均勻性、重復(fù)性、可控性良好的多片生長。采用UHV／CVD技術(shù)沉積的Si1-xGex薄膜，其中Ge的含量同氣源中的Ge含量可以成線性關(guān)系，可以由0％～100％任意變化，而HBT復(fù)雜的Ge組分分布需通過計算機控制GeH4流量來實現(xiàn)，以獲得厚度較均勻的薄膜，另外UHV／CVD加工溫度約550℃，不會造成更多的晶格缺陷，保證了載流子的遷移率。

　　在晶體管設(shè)計中，為了減少載流子的基區(qū)體復(fù)合，增加電子(非平衡少數(shù)載流子)擴散通過基區(qū)的比例，基區(qū)的有效寬度需要遠小于電子在基區(qū)中的擴散長度(Wb≤Lnb)。在SiGe HBT的設(shè)計中為了獲得更優(yōu)良的器件性能需要增加Ge的含量，同時還要保證薄膜的穩(wěn)定性，以免在工藝過程中受晶格失配的影響。這就要求在不會發(fā)生基區(qū)穿通的前提下進一步地降低Si1-xGex的薄膜厚度，這也符合晶體管設(shè)計對基區(qū)寬度小于電子在基區(qū)擴散長度的要求。

2 Si1-xGex合金中的Ge組分(x)設(shè)計

　　以往的研究指出了三種典型的Ge在基區(qū)的分布，分別是三角形分布、均勻分布和梯形分布，如圖3所示，而使用何種Ge分布圖形受器件的具體應(yīng)用影響。圖3中D為由表面到器件體內(nèi)的深度?？梢钥吹剑瑢τ谑艿交鶇^(qū)渡越時間限制的器件，可以使用緩變基區(qū)Ge分布獲得一個內(nèi)建場。

　　在現(xiàn)代的雙極晶體管技術(shù)中，一般采用多晶硅發(fā)射極結(jié)構(gòu)提高發(fā)射效率、電流增益和頻率響應(yīng)。在SiGe HBT中使用多晶硅發(fā)射極可以減小發(fā)射區(qū)的渡越時間，而重摻雜的集電區(qū)則可以減小集電區(qū)的渡越時間，但是當基區(qū)寬度減小時，載流子在基區(qū)的渡越時間自然會減小，發(fā)射區(qū)的渡越時間變得更為重要，基區(qū)Ge均勻分布的器件速度更快。

　　為了獲得更好的器件性能，在Ge分布圖形設(shè)計時使用均勻與緩變相結(jié)合的方式，綜合二者的優(yōu)點，可以使用梯形分布。對于不同的應(yīng)用可以采用不同的分布來達到相應(yīng)的要求，在要求精度較高的領(lǐng)域，如精確電流源，在數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器中，電流增益和Early電壓之積就較為重要；而在高頻應(yīng)用中，如高頻放大器、振蕩器等，最高振蕩頻率就更為重要。

3 Ge的基區(qū)組分對器件特性的影響

　　不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同工藝的Si BJT有著不同的特性參數(shù)。SiGe HBT的基區(qū)是通過外延生長而成的，在實際應(yīng)用當中器件是三維的，在電路中會有各種寄生參數(shù)，其理論計算會因維數(shù)增加變得復(fù)雜乃至難以進行。所以，在對器件特性參數(shù)進行理論推導時可以認為兩種器件的結(jié)構(gòu)是相同的，以簡化計算，而且對一維本征器件進行理論推導建模會容易得到Ge的分布情況與器件特性之間的關(guān)系。

3.1 集電極電流和電流增益

　　在晶體管基區(qū)加入Ge對晶體管直流特性的影響主要是在集電極電流密度上。從物理上來看，電子在EB結(jié)處注入基區(qū)的勢壘，由于Ge的引入而降低，從而對于某一固定的EB偏置，發(fā)射區(qū)到集電區(qū)可以獲得更多的電荷輸運。圖4為基區(qū)Ge緩變SiGe HBT和Si BJT能帶結(jié)構(gòu)的對比。

 
　　式(13)表明β與帶隙寬度變化的指數(shù)關(guān)系，引入Ge使得對于不同的應(yīng)用可以更容易地獲得不同的β值，例如可以適當增大發(fā)射結(jié)處的Ge組分以增大上式中的分子而增大電流增益；適當減小集電結(jié)處的Ge組分以增大該處的帶隙寬度，從而使上式中的分母減小，而進一步提高電流增益，減小集電結(jié)處的Ge組分會減弱在基區(qū)形成的內(nèi)建場，在速度要求不高而電流增益要求較大的應(yīng)用場合可以采用這種方法。另外由式(13)可知Ge的組分對β的影響呈指數(shù)關(guān)系，Ge的組分變化可影響到β，而摻雜濃度的影響相對減小，在對β要求不高的應(yīng)用中也可以提高基區(qū)的摻雜濃度來減小基區(qū)電阻而β不會有明顯的下降。

3.2頻率特性

　　SiGe HBT的特征頻率fT的表達式和Si-BJT是相同的，即為
 

　　可知，提高基區(qū)Ge的含量可以提高SiGe HBT的特征頻率，通過對Ge組分的設(shè)計可以在基區(qū)形成一個自建場，使載流子在基區(qū)加速，減小載流子基區(qū)渡越時間，提高頻率響應(yīng)。

　　在SiGe HBT中，允許提高基區(qū)的摻雜濃度，則在保證基區(qū)不發(fā)生穿通的前提下，能夠盡量減小基區(qū)薄膜厚度(基區(qū)寬度)，從而減小基區(qū)渡越時間提高頻率特性。另外利用一些工藝技術(shù)，如多晶硅發(fā)射區(qū)自對準技術(shù)可使基區(qū)串聯(lián)電阻(包含接觸電阻)降低，提高最高振蕩頻率。

4結(jié)論

　　本文對SiGe技術(shù)和Si／Si1-xGex異質(zhì)結(jié)特性進行了分析，研究了對基區(qū)Ge組分進行優(yōu)化設(shè)計的方向，對器件主要直流特性參數(shù)電流增益等進行了推算，獲知Ge的組分對β的影響呈指數(shù)關(guān)系。根據(jù)這一關(guān)系，在保證Si1-xGex薄膜穩(wěn)定性的前提下，可以適當減小集電結(jié)處的Ge組分以增大該處的帶隙寬度，提高電流增益。而減小集電結(jié)處的Ge組分會減弱在基區(qū)形成的內(nèi)建場，在速度要求不高情況下也可以用來提高電流增益。通過提高基區(qū)Ge的含量和對Ge組分的設(shè)計，提高載流子遷移率，在基區(qū)形成自建場，可以提高SiGe HBT的頻率特性。在SiGe HBT的設(shè)計時需綜合考慮薄膜穩(wěn)定性，Ge組分對電流增益和頻率響應(yīng)的影響，需要在薄膜穩(wěn)定性與各種晶體管特性參數(shù)之間作折中考慮。