半导体量子器件物理讲座第三讲异质结双极晶体管_HBT_

讲　座

半导体量子器件物理讲座第三讲　异质结双极晶体管(HBT )

王　良　臣

(中国科学院半导体研究所　北京　100083)

＊

摘　要　　文章首先给出了同质结双极晶体管和异质结双极晶体管(HBT ) 在材料结构参数上的差异. 这种差异表明, 在器件的材料结构设计上已从掺杂设计步入到了能带工程设计. 和同质结双极晶体管相比, HBT 具有更优越的性能. 接着介绍了HB T 的工作原理、典型的材料结构及器件的制作. 关键词　　双极型晶体管, 能带工程设计

HETEROJUNC TION BIPOLAR TRANSISTORS

W ANG Liang -Chen

(In stitu te of Semico n duc to rs , C hin es e Ac ad emy of Sci enc es , Beijin g 　100083, C hin a )

Abstract 　　The differences between the material structural parameters of a homojunction bipolar tr ansistor and those of a heter ojunction bipolar transistor (HBT ) ar e discussed briefly . It is shown that doping design for the device ′s material str ucture has evolved into band engineering design . In compar ison to a homojunction bipolar transistor , the HBT offer s superior perfor mance . The principle of operation , typic al mater ial struc tur es and HBT fabrication procedur es will be de -scribed .

Key words 　　HBT , band engineering design

益. 异质结双极晶体管(HBT ) 的电流增益截止频率

1　前言

1951年, Schokley 提出了宽禁带材料作晶体管发射结的原理

[1]

f T 高, 驱动能力强, 适合于高速电路. 它的相位噪声低, 功率密度大, 在低噪声大功率方面将发挥其特

长.

. 1957年, H . Kroemer 系统叙述了若

发射区材料的禁带宽度大于基区的禁带宽度, 可获[2][3]

得很高的注入比. 1972年, Dumke 利用液相外延方法首先制成了AlGa As GaAs 异质结双极晶体管. 随着分子束外延(MBE ) 技术的出现与发展, 1978年Bell 实验室利用MBE 获得了调制掺杂AlGaAs GaAs 异质结构. 在此之后, 1980年用MBE 方法制成了Al -Ga As Ga As 异质结双极晶体管. 近些年来, 人们利用能带工程又得到了不同材料结构的异质结双极晶体管.

从同质的硅双极晶体管发展到异质结双极晶体管, 在设计上发生了根本变革, 人们从掺杂工程设计进入到能带工程设计, 调整了发射区和基区的掺杂浓度, 从而降低了发射结电容和基区电阻, 提高了增2　双极型晶体管的原理及基本材料结构

同质结双极晶体管是利用同种半导体材料(如硅材料) 制成的具有两个p -n 结的晶体管, 它是由电子和空穴两种载流子参与导电过程的半导体器件. 两个p -n 结形成了发射区E 、基区B 和集电区C . 其基本结构分p -n -p 型和n -p -n 型, 如图1. 实际应用电路中晶体管有3种连接方法:共基极、共发射极和共集电极, 如图2所示. 这3种连接方法中, 发射结均为正偏置, 集电结均为负偏置.

发射结在正偏置下, 对于p -n -p 型晶体管, 空

＊　2000-06-20收到初稿, 2000-11-24修回

于发射结为正偏置, 正向电阻小, 集电结反偏置有大的反向电阻, 因此具有电压放大和功率放大作用.

除共基极连接方式之外, 共发射极被广泛采用, 因为它具有电流和功率放大作用.

以n -p -n 型双极晶体管为例, 共发射极电流放大系数(增益) β(≈I C I B ) 受发射效率η(η=I nE I E ) 和基区输运因子α发射效率表示由发B 的影响. 射区注入到基区的电子电流I nE 与发射极总电流I E

图1　

(a ) p -n -p 型晶体管; (b ) n -p -n

型晶体管的结构和符号

之比, 对放大有贡献的是注入到基区的电子电流I n E . 若忽略EB 结界面复合电流, 理想情况下η接近1. 基区输运因子αB 表征了到达集电结的电子电流I n C 与注入到基区的电子电流I nE 之比, 它反映了载流子在输运过程中在基区和BC 结界面区的复合损失情况. 这种复合损失越小, αB 越接近1. 显然在理想情况下η≈1, αB ≈1, I n E ≈I nC ≈I C , 而I B =I E -I C , 表明I B 很小, 所以电流增益β(β=I C I B ) 可达到很大.

HBT 的材料结构为较为成熟的N -p -n 型, 与同质双极晶体管n -p -n 型比较, 用大写字母“N ”替换小写“n ”, 其含义表示发射区为n 型宽禁带材料. 图3表示n -p -n 同质结和N -p -n 异质结双极晶体管的能带图. 图4表示其掺杂分布图

图2　

(a ) 晶体管共其极; (b ) 晶体管共发射极;

(c ) 晶体管共集电极的接法

图3　

(a ) 共发射极n -p -n 同质结双极晶体管; (b ) N -p -n 异质结双极晶体管的能带图

穴从发射区向n 型基区注入, 电子从n 型基区向p

型发射区注入. 由于集电结处于反偏置, 当基区宽度较窄时, 注入到基区的空穴将被集电结强电场扫过集电结耗尽区, 形成集电极电流. 如果大部分从发射区注入到基区的空穴在输运过程中未被复合掉而到达集电极, 那么集电极电流就接近发射极空穴电流. 显然, 共基极接法中晶体管不起电流放大作用, 但由

由上图不难看出, 同质结双极晶体管和异质结双极晶体管在能带结构上存在着差异, 在掺杂分布

上也存在着差异. 同质结双极晶体管的发射区和基区有相同禁带宽度, 即ΔE g =0. 而HBT 中ΔE g 不等于零; 在掺杂分布上, 前者的发射区为高掺杂, 而

x 缓变, 可得到平滑而连续的能带结构, 消除了图3(b ) 能带图上的“尖峰”, 得到了所谓渐变异质结. 这时可采用与同质结相似的扩散模型分析载流子输运过程.

E -B 结在正偏置下, 宽禁带N -Al x Ga 1-x As 发射区向窄禁带的p -Ga As 基区注入电子, p 型GaAs 基区向N -Al x Ga 1-x As 发射区注入空穴. 电子流与空穴流之比称为注入比. 如果满足:(1) 异质结空间电荷区以外区是电中性; (2) 载流子浓度可用玻尔兹曼统计来近似; (3) 在小注入情况下(注入少子的浓度比多子少得多) ; (4) E -B 结空间电荷区及外表面无复合产生, 可得到在平衡状态时和正向偏置下发射区和基区的电子、空穴浓度. 然后求解稳态电流连续方程, 可以得到从发射区向基区注入的电子流j n 1和从基区向发射区注入的空穴流j p2.

电子和空穴的扩散电流为

qD n1n 10qV a

j n1exp -1,

L n 1kT qD p2p 20qV a

j p2exp -1,

L p2kT

(1) (2)

其中L n , L p , D n , D p 分别为作为少子的电子和空穴的扩散长度和扩散系数. 脚标1表示p -Ga As , 脚标

图4　

(a ) Si 同质结双极晶体管掺杂分布; 　(b ) Al GaAs GaAs 异质

结双极晶体管的掺杂分布

2表示N -Al x Ga 1-x As . V a 表示偏置电压, n 10和p 20表示平衡状态下的电子、空穴浓度. 总电流可表示为j =j n 1+j p2=

q D n1n 10qD p2p 20

L n1L p 2

exp

qV a

-1. kT

(3)

这就是利用扩散模型给出的渐变异质结N -p 的伏

安特性.

由(1) 式和(2) 式可以得到发射结的注入比为j n1D n 1L p2n 10D n1L p 2n 1i n 20

=·=··. (4) j p2D p 2L n1p 20D p2L n 1p 10n 2i

　　如果杂质完全电离, n 20和p 10分别等于宽带N -Al x Ga 1-x As 和窄带P -Ga As 的掺杂浓度N D 2和N A 1. 在同质结中, n 1i =n 2i , 则

j n 1D n ·L p ·N D2

=. j p 2D p ·L n ·N A1

(5)

HBT 的发射区掺杂浓度要低; 前者的基区掺杂浓度要低于HBT 基区的掺杂浓度. 它集中反映了由同质

结双极晶体管发展到异质结双极晶体管, 在材料结构参数的设计上发生的根本变化, 其内在因素将作重点分析.

3　异质结双极晶体管的特性分析

[4]

在同质结双极晶体管中, 描述载流子输运过程

的模型有扩散模型、热电子发射模型和隧道模型等. 对于异质结双极晶体管来讲, 仍可采用这些模型, 但必须考虑异质结中的能带断续、能带的渐变及各种复合等诸方面对载流子输运的影响, 最终得到表征载流子输运过程的I -V 特性. 当然, 若载流子的输运过程是几种形式的组合, 则可采用复合模型. 3. 1　渐变异质结及I -V 特性

以Al x Ga 1-x As GaAs 单异质结双极晶体管(N -p -n 型) 为例, 若E -B 结发射区Al x Ga 1-x As 一侧, 　　由上式可以看出, 同质结中注入比主要取决于n 区和p 区的掺杂浓度比(N D2 N A 1) , 这就是为什么只能利用掺杂工程设计同质结双极晶体管.

本征载流子浓度与材料的禁带宽度有关, 即n i =

2(2πkT ) (m p m n E g

exp , h 2kT

33(6)

代入(4) 式, 可得到

j n 1D n1L p 2(m p1m n 1) N D 2

=exp [(E g2-E g1) kT ], ·j p 2N A 1D p2L n 1(m p2m n 2(7)

即注入比

j n1N D 2

∝exp (ΔE g kT ) . j p2N A 1

(8)

　　显然, 异质结双极晶体管的注入比与发射区和基区的禁带宽度差ΔE g 呈指数关系, 这样人们就可以从能带结构来设计异质结双极晶体管. 由于ΔE g 对注入比的影响远大于发射区与基区的掺杂浓度比对它的影响, 这样就可降低发射区掺杂浓度来减小发射结电容. 同时, 提高基区浓度, 降低基区电阻, 来改善器件的频率、噪声等性能. 不难看出, 异质结晶体管材料结构的设计是一次从掺杂工程设计到能带工程设计的变革. 下面举一个简单的例子来说明在异质结构中ΔE g 对注入比的影响:

(7) 式中右边第一项系数可近似取为1, 注入比

j n 1N D

≈exp (ΔE g kT ) . j p 2N A

对于同质结, ΔE g =0, Al 0. p -GaAs , 3Ga 0. 7As

j n1N D

≈; 对于异质结N -j p2N A ΔE g =0. 403eV ,

j n1

j p2

≈

图5　加正向偏压后的理想突变异质结能带图

些能量大于qV D 2的电子才能在窄带GaAs 材料的边界上聚集, 并以扩散方式向窄带GaAs 区运动. 若外加偏压为V a 时, 能带图为图5中的虚线所示; V a 分别加在两种材料上, 即V a =V a1+V a2, 这时N 区势垒V D 2-V a2, p 区势垒为V D1-V a1. 安德森认为异质结界面对载流子有一定反射, 而引入一个透射系数χ, 且n 20=N 2D ,

最终得到I -V 特性为

J =q D n 1D n 2qV D2

exp -·

L n1kT

(9)

N D N D N D 6

exp (ΔΕg kT )=exp15. 59=·5. 9×10. N A N A N A

由上述简单的计算, 可以看出异质结构中带隙差对提高注入比起决定性作用. ΔE g 对注入比的大幅度提高给我们创造了重新调整N D , N A 的条件. 当然要保证有足够大的注入比, 减少体内和表面的复合也是很重要的.

3. 2　突变异质结及I -V 特性3. 2. 1　扩散模型

上面分析了利用扩散模型得到的渐变异质结I -V 特性, 是指发射区和基区导带之间没有所谓“尖峰”的存在. 对于一个理想的突变异质结来讲, 能带图上导带有一个势垒“尖峰”(见图5) .

安德森(Anderson ) 在扩散理论的基础上分析了存在“尖峰”时的载流子输运情况. 由于在异质结界面, 导带和价带的断续ΔE c 和ΔE V 的存在, 电子和空穴两种载流子越过异质结时应克服不同的势垒, 若只考虑电子流在输运过程中起主要作用, 那么在平衡状态时, 宽禁带N -AlGaAs 发射区中,

只有那

[5]

qV a2qV a1

-exp -kT kT

qV a1

若正向偏置时忽略exp -, 则kT

exp

qV a2

, kT

即总电流与外加偏压呈指数变化关系.

J ∝exp

[6]

3. 2. 2　热电子发射模型

安德森的异质结扩散模型认为, 能量大于qV D 2

的电子是以扩散方式向窄带区运动, 而热电子发射模型则认为这些电子是以热电子发射方式, 以很高的速度(v =10—10c m s ) 向前运动, 这样大大缩短了在基区的渡越时间.

用与安德森扩散模型中类似的处理方法, 最终得到

J =q χN D2

exp

exp -

qV D2

·.

(10)

qV a2qV

-exp -a1

kT kT

比较(9) 式与(10) 式的差别仅在于系数的差异.

3. 2. 3　隧道模型

隧道模型认为电子在没有到达越过“尖峰”的能

量时, 可以以隧道方式穿过势垒进入基区, 隧道电流是入射电子流与隧穿几率的乘积, 这里不作详细叙述.

在运用上述三种基本模型时, 实际上还应考虑其他因素的影响, 如空间电荷区的复合电流、表面复合电流和基区复合电流等(见图6和图7)

I n E ;

(2) 注入的电子和注入的空穴在空间电荷区的复合电流I sr ;

(3) 基区空穴越过势垒进入发射区的空穴电流I p .

即I E =I nE +I sr +I p . 基区电流I B 包括:

(1) 基区空穴进入发射区的空穴流I p ; (2) 基区的体复合电流I vr ;

(3) 空间电荷区的空间复合电流I sr ;

(4) 基区外表面的复合电流I fr (实际器件所应考虑的) ;

(5) 基极欧姆接触界面复合电流I tr (实际器件所应考虑的) .

即I B =I p +I vr +I sr +I fr +I tr =I p +I sr +I br , 其中I br =I vr +I fr +I tr , I br 统称为基区复合电流.

集电极电流I C 为

I C =I E -I B =I nE -I br ,

即集电极电流等于注入到基区的电流减去基区复合电流. (I nE -I br ) I nE , 即I C I nE 称为基区输运因子.

共发射极电流增益β为

β=

I C I nE -I br

=. I B I p +I sr +I br

[7, 8]

图6　N -p -n 型HBT

能带图及电流成分示意图

(11)

因此, 要想提高增益, 降低基区复合电流I br 空间电荷区的复合电流I sr 及表面复合电流

是非常重要

的. 表面复合电流往往在有较大的发射极面积与周长比时可以忽略. 这时共发射极电流增益的最大值

βmax 为

βmax =I n E I p .

(12)

显然, 最大增益βmax 实际上就是异质结的注入比(I nE I p ) . 这说明了增益和注入比有关. 前面谈到的要提高增益, 就要降低基区复合电流(I br , I sr ) , 这实际上也说明了增益与基区的输运因子有关. 输运因子αB =I nC I nE , 基区复合损失减小才可使到达集电

图7　

(a ) 表明空间电荷区复合电流(I SCR . ) 界面复合电流E 和I SCR . B (I int . 、基区体复合电流(I bulk ) 及反向空穴电流(I p ) E 和I int . B ) 的能带图; (b ) 发射区外表面复合电流(I E S ) 和基区外表面复

合电流(I BS )

区的电流增大, 增益提高. 概括来讲, 共发射极电流增益的提高, 主要依赖于注入比的提高和减少复合.

4　异质结双极晶体管的材料结构设计考虑

及制作工艺要点概述

　　异质结双极晶体管的材料结构基础是异质结, 也就是说, 它是利用不同禁带宽度的材料组合成发射结和集电结. 为减少在界面处产生的位错、缺陷而

异质结双极晶体管的发射极电流I E 可由3部分组成:

(1) 电子从发射区越过势垒到达基区的电流

导致的载流子复合, 不同材料的晶格常数应尽量接近. 此外, 材料生长过程是一个高温过程, 异质结材料的热膨胀系数的一致性也是重要的.

HBT 发射结和集电结(重要的是发射结) 材料的组合原则, 还必须考虑不同材料的禁带宽度之差ΔE g , 导带和价带的断续量ΔE c 和ΔE v , 材料迁移率的大小, 表面复合速度和热导率等等. 例如InGaAs (E g =0. 75eV ) 比GaAs (E g =1. 42eV ) 有较小的禁带能量, 较高的迁移率, InGa As 有较小的表面复合速

度, 约10cm s , 而GaAs 为10cm s , 这样, InGaAs 为基区的HB T 的增益比GaAs 要高. InP 基材料(包括InP , InGaAs 和InAlAs ) 有比GaAs 高50%的热导率. 因此, 在相同的功耗下, InP 基HBT 散热好. 下面列出一些采用较多的HB T 发射区、基区和集电区材料组合结构(见表1) .

表1　HBT 发射结和集电结材料组合结构

发射区(n 型) Al x Ga 1-x As Ga x In 1-x P Al x Ga 0. 52-x In 0. 48P

InP Al x In 1-x As Ga x In 1-x P y As 1-y

Al x Ga 1-x N GaN Si

基区(p 型) GaAs GaAs GaAs In 1-x Ga x As In 1-x Ga x As In 1-x Ga x As

GaN SiC Ge x Si 1-x

集电区(n 型)

GaAs GaAs [9]GaAs [10]

InP InP InP GaN [11]SiC

[12]

I nE

ΔE v kT ) . I p ∝exp (

(13)

　　这就是说, 理想的突变异质结, 电流增益与价带的断续量ΔE v 呈指数变化关系. 在设计突变异质结双极晶体管时, 要获得高增益, 发射区与基区的材料组合要有大的ΔE v . 另外, ΔE v 大, 器件就具有优良的高温特性. 例如上面列出的材料组合中Al x Ga 0. 52-x In 0. GaAs 是近几年研究较多的高温48P HBT 之一. Al x Ga 0. 52-x In 0. 48P 在与GaAs 晶格匹配的Ⅲ-Ⅴ族化合物中, 具有最大的价带不连续量ΔE v (0. 27—0. 63eV ) . 宽禁带Ga N SiC , AlGaN GaN HBT

属这一类器件.

4. 1　发射区-基区异质结的设计考虑

缓变发射结组分渐变距离要适当

[15]

. 渐变距离

太短, 导带的尖峰不能消除; 渐变距离太长, 在正偏压下导带上会产生一个对电子起陷阱作用的场, 降

衬底GaAs GaAs GaAs InP InP InP 蓝宝石硅硅

低了注入效率. 组分渐变若按抛物线规律, 势垒尖峰消失得更为平滑. 以Al 0. GaAs 为例, 若N D =3Ga 0. 7As 2×10cm , 渐变距离为300 较为合适.

发射结附近实际存在着两个界面, 一个是异质界面, 另一个是p -n 结界面, 理想情况是二者重合. 对于突变异质结容易确定交界面范围, 渐变结则不易确定. 在材料生长过程中(或在其他高温过程中) , 若使用扩散系数较大的掺杂剂, 如p 型掺杂剂Be 和

[16]

Zn , 则p -n 结界面容易位移到发射区之中, 这相当于发射区形成了一个同质p -n 结, 降低了注入比. 为避免这种情况, 可在异质结界面窄带区一侧或两侧加入一非掺杂层. 也可选择扩散系数更小的p 型掺杂剂, 如碳, 以防止在材料生长过程中p 型掺杂剂拖尾到N 型宽带材料区.

HBT 频率特性的提高, 还依赖于减少发射结面积, 减少发射区的掺杂浓度. 发射区掺杂浓度的减小虽然使发射结电容降低了, 但是增加了发射区电阻, 因此, 要与发射区的厚度等结合起来考虑. Al 0. 3Ga 0. 7-As Ga As SHBT , 发射区Al 0. 3Ga 0. 7As 典型的掺杂浓度是(2—5) ×10cm

-3

　　在上面列举的材料组合中, 很多发射区采用了三元系或四元系材料, 其晶格常数是通过调整合金组分来控制, 同时其禁带宽度也发生了变化.

HBT 的低开启电压和小功耗要求发射结有小的内建电势V bi , InP 基HBT 用窄禁带的InGaAs 作基区可获得比GaAs 基HB T (Ga As 作基区) 更低的开启电压和小功耗.

[14]

但是对于一个理想突变的结构来讲, 能带图上存在“尖峰和(能) 谷”, 窄带区的能谷(势阱) 将会收集发射区注入来的电子, 对电子的进一步注入有抑制作用. 其典型值为几个毫电子伏, 有时常常忽略. 导带边“尖峰”的存在, 说明了与渐变异质结相比, 电子从发射区向基区注入要克服一个附加势垒, 减小了注入比. 上面已经谈到渐变异质结, 我们有q (V p -V n ) =ΔE g ,

I nE

∝exp (ΔE g kT ) . I p

对于突变异质结来讲, q (V p -V n )≈ΔE V , 所以

[13]

, 厚度为1000 左右.

综合上述, 对于发射结ΔE C 大的HBT , 要设法实现理想的组分渐变, 保证HBT 的电流增益. 对于突变结HBT , 选择大的ΔE v 的发射结材料组合. 总之, 利用能带工程设计HB T , 可以更合理地调整掺杂浓度.

4. 2　基区设计考虑

HBT 基区层的设计, 尤其是工作在微波频率, 它

起着关键作用, 因为它强烈地影响着f T 和f M . 这里我们主要分析载流子在基区的渡越时间和基区体电阻对HBT 性能的影响.

我们知道f T 与少子在基区的渡越时间τB 有关, 即

τ2D B , B =W B

式中扩散系数

D B =μq . e kT

不难看出, 减小τ此外, 选择迁移率高B , 可提高f T . 的材料作基区. 当器件发射区-基区外表面被钝化时(降低表面复合) , 影响基区电流的主要是发射结空间电荷区的复合电流

[17]

要减小集电结电容, 有效的办法是减少基区欧

姆接触区面积和缩短发射区到基极接触的间距. 因此, 在制作工艺中往往采用自对准工艺形成基区的欧姆接触区.

为保证一定的击穿电压和减小C C , 收集区采用较低掺杂浓度. 为了使单异质结双极晶体管(SHBT ) 源、漏电极能够互换, 集电区也可采用宽带隙材料, 如将AlGaAs GaAs GaAs 结构改为AlGaAs Ga As Al -Ga As 结构. 发射区和集电区保持相同的掺杂浓度, 这就是双异质结双极晶体管(DHB T ) .

在单突变结SHBT 中, 因为导带出现断续ΔE C . 当B -C 也是突变结构时, 注入到基区的电子将在两个ΔE C 组成的势阱中多次碰撞而可能被复合掉. 因此, B -C 结要做成组分缓变. 也有的在基区和集电区加入一层带隙介于基区和集电区之间的材料, 使带隙宽度变化呈台阶梯度. 例如, 在InP InGaAs

InP HB T 中B -C 结中加入GaInAsP (E g =0. 94eV ) , 变成InP (E ) InGa As (B , E g =0. 78eV ) GaInAsP (ΔE g =0. 94eV ) InP (C , E g =1. 35eV ) 结构.

4. 4　发射区、基区和收集区掺杂浓度的选择

HBT 的E , B , C 区掺杂浓度与同质结双极晶体管相比, 尤其是E , B 区有较大差异. 为了降低C EB 和R B , 一般来讲, NpN 型HB T 的发射区掺杂浓度为10c m 量级, 基区掺杂浓度在10—10cm , 为提

16-3

高B , C 结击穿电压, 收集区的浓度为10c m 量级. EC 的欧姆接触区浓度要大于10cm

-3

(14)

和基区体复合电流. 因此

减少基区宽度, 从而减少渡越基区时间τB , 合适的基区掺杂提高少子寿命以及减小各种复合是对基区材料参数(几何尺寸和掺杂浓度) 设计必须考虑的重

要因素.

HBT 应用于开关电路, 开关时间可表示为

[19]

R B τR B C C ++(3C C +C L ) R L . (15) s =2R L

这里R B 为基区电阻, C C 为集电极电容, R L 和C L 为负载电阻和电容. 依上式, 降低R B 可以缩短开关时间.

除了上述谈到的合理的基区宽度及掺杂浓度设计之外, 基区还可以采用带隙渐变基区结构. 调整二元系或多元系基区组分, 使禁带宽度发生变化, 产生的附加电场减小了少子在基区的渡越时间, 少子在基区的渡越时间也可表示为

qW B

τ, B =g1-E g2)

E g1-E g2

. qW B

. 另外, E , C

(16)

接触区若采用与E 或禁带宽度不同的材料, 如N -Al x Ga 1-x As 作发射区, 其接触区(cap layer ) 要采用n GaAs , 而且从N -Al x Ga 1-x As 到n GaAs 的生长也最好采用组分缓变, 这样有利于载流子的注入. 宽禁带材料的HBT (例如AlGa N GaN 等) , 由于其良好

的高温特性, 国外已开始研制. HB T 的材料结构设计举例见表2.

表2　Al 0. GaAs HBT 材料结构3Ga 0. 7As 材料

cap n +-GaAs

n -Al x Ga 1-x As Al 0. E n -3Ga 0. 7As n -Al x Ga 1-x As B p -GaAs C n -GaAs n +-GaAs

厚度 nm 100—15030—50100—15030—5080—100400—500400—500

浓度 cm -32×1018

x =0—0. 3时为(3—5) ×1017x =0. 3时为(3—5) ×1017x =0. 3—0时为(3—5) ×1017

2×1019(5—10) ×1016

2×1018

式中E g1-E g2为基区的带隙变化, 产生的附加电场

E =

　　在双异质结双极晶体管中, 若集电区采用比基区大的带隙材料, 这样, 在CB 结处空穴势垒增加, 基区的掺杂浓度可进一步提高.

4. 3　集电区的设计考虑

集电区的厚度与载流子在集电区的渡越时间τC 有关, 厚度增加, 渡越时间加长, 同样f T 将下降. 集电区的渡越时间由下式表示:

τ2v s +C C (R E +R C ) , C =W C

(17)

式中W C 为集电区厚度, v s 为集电区中的电子饱和速度, C C 为集电结电容, R E , R C 为发射极和集电极电阻. 4. 5　异质结双极晶体管的制作工艺要点概述

图8给出台面结构的HBT 管芯剖面示意图.

对准工艺. 钝化层可采用SiON , 用PECVD 淀积. 基区自对准, 要求发射区台面形成倒台结构, 基区的厚度也要控制, 否则将造成E , B 结短路.

参

[1][2][3]

图8　采用自对准技术制作的HBT 剖面图

考文献

Sh ockl ey W . US patent , 1951, 2569347Kroemer H . Proc . IRE , 1957, 45:1535

Du mk e W P , Woodall J M , Rid eou t V L . Solid State Electron ics , 1972, 15:1339

虞丽生. 半导体异质结物理. 北京:科学出版社, 79—123[Y u L S . Semic on ductor Heteroju nctions Ph ys ics . Beijin g :Science Pres s , 79—123(in Chin ese ) ]

[4]

以AlGaAs Ga As 单异质结HBT 为例, 发射区和

集电区的接触区均为高掺杂的n 型GaAs , 其欧姆接触金属采用Au -Ge -Ni , 基区为P -Ga As , 选用Au -Zn 作欧姆接触. 如果不考虑小尺寸的要求, 制作工艺上的难点集中在以下几方面:(1) 对发射区台面的腐蚀要求有准确的精度控制. 因为基区的厚度是有限的, 过腐蚀会造成欧姆接触金属做到收集区上。若剩余基区厚度太薄, 在金属化的过程中有可能与集电区连通, 造成B , C 短路. 因此, 发射区台面腐蚀终点要准确控制. 发射区是AlGaAs , Al 的含量x

[5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17]

And ers on R J . Sol id State Electron ics , 1962, 5:34

Perl man S S , Feu cht D L . Semicon duct or Heteroj unctions . Oxford :Pergamon Press , 1964. 7, 911

Hemry C H , L ogan R A , Merrit F R . J . App l Ph ys . , 1978, 49:3530Hao Hsiu ng Lin , Lee S C . App l . Phys . Lett . , 1985, 47:839Will ia m Liu et al . IEEE Electron Device Lett . , 1992, 13:510Yow H K , Hou ston P A . IEEE Tran saction s on Electron Devices , 1996, 43:2

Fan Ren et al . MIJ -NSR , 1998, 3:Articl e 41

Pan kove J I , Leks on o M , Chang S S et al . MIJ -NSR , 1996, 1:Arti -cle 39

Pel ou ard J L , Littlejohn M A . SPIE In P and Related Material for Advanced an d Optical Devices , 1989, 1144:582Ha yes I R et al . Ap pl . Ph ys . Lett . , 1983, 43:949

Maik R J , Capasso F , S tall R A et al . Ap pl . Ph ys . Let t . , 1985, 46:600

Liu W , Cos ta D , Harris J S . IEEE Trans . El ectron Dev . , 1992, 39:2422

Nobu yu k , Hayama et a l . IEEE El ectron Device Lett . , 1987, ED L -8:246

2001年第7期《物理》内容预告

研究快讯铋系高温超导直流电缆的研制(林玉宝等) .

评述

高温超导薄膜无源微波器件的应用(李林) ; 微米纳米尺度热科学与工程学中的若干重要问题

及进展(刘静) .

知识和进展

结构生物学的新进展(张景强) ; 半导体材料的华丽家族———氮化镓基材料简介(孙

殿照) ;

光与新型氧化物材料的相互作用及其应用(郝建

华) ;

核爆模拟———惯性约束聚变在核武器上的应用(曾

先才等) .

物理学和高新技术

重离子束在医学治疗中的应用(卫增泉等) .

实验技术

纳米压痕技术在材料科学中的应用(谢存毅) .

讲座

半导体量子器件物理讲座　第四讲　共振隧穿器件

及其电路应用(李国华) .

物理学史和物理学家

π介子理论的提出———记日本物理学家汤川秀树

(姚立澄) .

讲　座

半导体量子器件物理讲座第三讲　异质结双极晶体管(HBT )

王　良　臣

(中国科学院半导体研究所　北京　100083)

＊

HETEROJUNC TION BIPOLAR TRANSISTORS

W ANG Liang -Chen

(In stitu te of Semico n duc to rs , C hin es e Ac ad emy of Sci enc es , Beijin g 　100083, C hin a )

Key words 　　HBT , band engineering design

益. 异质结双极晶体管(HBT ) 的电流增益截止频率

1　前言

1951年, Schokley 提出了宽禁带材料作晶体管发射结的原理

[1]

f T 高, 驱动能力强, 适合于高速电路. 它的相位噪声低, 功率密度大, 在低噪声大功率方面将发挥其特

长.

. 1957年, H . Kroemer 系统叙述了若

发射区材料的禁带宽度大于基区的禁带宽度, 可获[2][3]

发射结在正偏置下, 对于p -n -p 型晶体管, 空

＊　2000-06-20收到初稿, 2000-11-24修回

于发射结为正偏置, 正向电阻小, 集电结反偏置有大的反向电阻, 因此具有电压放大和功率放大作用.

除共基极连接方式之外, 共发射极被广泛采用, 因为它具有电流和功率放大作用.

图1　

(a ) p -n -p 型晶体管; (b ) n -p -n

型晶体管的结构和符号

图2　

(a ) 晶体管共其极; (b ) 晶体管共发射极;

(c ) 晶体管共集电极的接法

图3　

(a ) 共发射极n -p -n 同质结双极晶体管; (b ) N -p -n 异质结双极晶体管的能带图

穴从发射区向n 型基区注入, 电子从n 型基区向p

由上图不难看出, 同质结双极晶体管和异质结双极晶体管在能带结构上存在着差异, 在掺杂分布

上也存在着差异. 同质结双极晶体管的发射区和基区有相同禁带宽度, 即ΔE g =0. 而HBT 中ΔE g 不等于零; 在掺杂分布上, 前者的发射区为高掺杂, 而

电子和空穴的扩散电流为

qD n1n 10qV a

j n1exp -1,

L n 1kT qD p2p 20qV a

j p2exp -1,

L p2kT

(1) (2)

其中L n , L p , D n , D p 分别为作为少子的电子和空穴的扩散长度和扩散系数. 脚标1表示p -Ga As , 脚标

图4　

(a ) Si 同质结双极晶体管掺杂分布; 　(b ) Al GaAs GaAs 异质

结双极晶体管的掺杂分布

2表示N -Al x Ga 1-x As . V a 表示偏置电压, n 10和p 20表示平衡状态下的电子、空穴浓度. 总电流可表示为j =j n 1+j p2=

q D n1n 10qD p2p 20

L n1L p 2

exp

qV a

-1. kT

(3)

这就是利用扩散模型给出的渐变异质结N -p 的伏

安特性.

由(1) 式和(2) 式可以得到发射结的注入比为j n1D n 1L p2n 10D n1L p 2n 1i n 20

=·=··. (4) j p2D p 2L n1p 20D p2L n 1p 10n 2i

　　如果杂质完全电离, n 20和p 10分别等于宽带N -Al x Ga 1-x As 和窄带P -Ga As 的掺杂浓度N D 2和N A 1. 在同质结中, n 1i =n 2i , 则

j n 1D n ·L p ·N D2

=. j p 2D p ·L n ·N A1

(5)

HBT 的发射区掺杂浓度要低; 前者的基区掺杂浓度要低于HBT 基区的掺杂浓度. 它集中反映了由同质

结双极晶体管发展到异质结双极晶体管, 在材料结构参数的设计上发生的根本变化, 其内在因素将作重点分析.

3　异质结双极晶体管的特性分析

[4]

在同质结双极晶体管中, 描述载流子输运过程

本征载流子浓度与材料的禁带宽度有关, 即n i =

2(2πkT ) (m p m n E g

exp , h 2kT

33(6)

代入(4) 式, 可得到

j n 1D n1L p 2(m p1m n 1) N D 2

=exp [(E g2-E g1) kT ], ·j p 2N A 1D p2L n 1(m p2m n 2(7)

即注入比

j n1N D 2

∝exp (ΔE g kT ) . j p2N A 1

(8)

(7) 式中右边第一项系数可近似取为1, 注入比

j n 1N D

≈exp (ΔE g kT ) . j p 2N A

对于同质结, ΔE g =0, Al 0. p -GaAs , 3Ga 0. 7As

j n1N D

≈; 对于异质结N -j p2N A ΔE g =0. 403eV ,

j n1

j p2

≈

图5　加正向偏压后的理想突变异质结能带图

最终得到I -V 特性为

J =q D n 1D n 2qV D2

exp -·

L n1kT

(9)

N D N D N D 6

exp (ΔΕg kT )=exp15. 59=·5. 9×10. N A N A N A

3. 2　突变异质结及I -V 特性3. 2. 1　扩散模型

只有那

[5]

qV a2qV a1

-exp -kT kT

qV a1

若正向偏置时忽略exp -, 则kT

exp

qV a2

, kT

即总电流与外加偏压呈指数变化关系.

J ∝exp

[6]

3. 2. 2　热电子发射模型

安德森的异质结扩散模型认为, 能量大于qV D 2

用与安德森扩散模型中类似的处理方法, 最终得到

J =q χN D2

exp

exp -

qV D2

·.

(10)

qV a2qV

-exp -a1

kT kT

比较(9) 式与(10) 式的差别仅在于系数的差异.

3. 2. 3　隧道模型

隧道模型认为电子在没有到达越过“尖峰”的能

量时, 可以以隧道方式穿过势垒进入基区, 隧道电流是入射电子流与隧穿几率的乘积, 这里不作详细叙述.

在运用上述三种基本模型时, 实际上还应考虑其他因素的影响, 如空间电荷区的复合电流、表面复合电流和基区复合电流等(见图6和图7)

I n E ;

(2) 注入的电子和注入的空穴在空间电荷区的复合电流I sr ;

(3) 基区空穴越过势垒进入发射区的空穴电流I p .

即I E =I nE +I sr +I p . 基区电流I B 包括:

(1) 基区空穴进入发射区的空穴流I p ; (2) 基区的体复合电流I vr ;

(3) 空间电荷区的空间复合电流I sr ;

(4) 基区外表面的复合电流I fr (实际器件所应考虑的) ;

(5) 基极欧姆接触界面复合电流I tr (实际器件所应考虑的) .

即I B =I p +I vr +I sr +I fr +I tr =I p +I sr +I br , 其中I br =I vr +I fr +I tr , I br 统称为基区复合电流.

集电极电流I C 为

I C =I E -I B =I nE -I br ,

即集电极电流等于注入到基区的电流减去基区复合电流. (I nE -I br ) I nE , 即I C I nE 称为基区输运因子.

共发射极电流增益β为

β=

I C I nE -I br

=. I B I p +I sr +I br

[7, 8]

图6　N -p -n 型HBT

能带图及电流成分示意图

(11)

因此, 要想提高增益, 降低基区复合电流I br 空间电荷区的复合电流I sr 及表面复合电流

是非常重要

的. 表面复合电流往往在有较大的发射极面积与周长比时可以忽略. 这时共发射极电流增益的最大值

βmax 为

βmax =I n E I p .

(12)

图7　

合电流(I BS )

区的电流增大, 增益提高. 概括来讲, 共发射极电流增益的提高, 主要依赖于注入比的提高和减少复合.

4　异质结双极晶体管的材料结构设计考虑

及制作工艺要点概述

　　异质结双极晶体管的材料结构基础是异质结, 也就是说, 它是利用不同禁带宽度的材料组合成发射结和集电结. 为减少在界面处产生的位错、缺陷而

异质结双极晶体管的发射极电流I E 可由3部分组成:

(1) 电子从发射区越过势垒到达基区的电流

导致的载流子复合, 不同材料的晶格常数应尽量接近. 此外, 材料生长过程是一个高温过程, 异质结材料的热膨胀系数的一致性也是重要的.

表1　HBT 发射结和集电结材料组合结构

发射区(n 型) Al x Ga 1-x As Ga x In 1-x P Al x Ga 0. 52-x In 0. 48P

InP Al x In 1-x As Ga x In 1-x P y As 1-y

Al x Ga 1-x N GaN Si

基区(p 型) GaAs GaAs GaAs In 1-x Ga x As In 1-x Ga x As In 1-x Ga x As

GaN SiC Ge x Si 1-x

集电区(n 型)

GaAs GaAs [9]GaAs [10]

InP InP InP GaN [11]SiC

[12]

I nE

ΔE v kT ) . I p ∝exp (

(13)

属这一类器件.

4. 1　发射区-基区异质结的设计考虑

缓变发射结组分渐变距离要适当

[15]

. 渐变距离

太短, 导带的尖峰不能消除; 渐变距离太长, 在正偏压下导带上会产生一个对电子起陷阱作用的场, 降

衬底GaAs GaAs GaAs InP InP InP 蓝宝石硅硅

低了注入效率. 组分渐变若按抛物线规律, 势垒尖峰消失得更为平滑. 以Al 0. GaAs 为例, 若N D =3Ga 0. 7As 2×10cm , 渐变距离为300 较为合适.

[16]

-3

　　在上面列举的材料组合中, 很多发射区采用了三元系或四元系材料, 其晶格常数是通过调整合金组分来控制, 同时其禁带宽度也发生了变化.

HBT 的低开启电压和小功耗要求发射结有小的内建电势V bi , InP 基HBT 用窄禁带的InGaAs 作基区可获得比GaAs 基HB T (Ga As 作基区) 更低的开启电压和小功耗.

[14]

I nE

∝exp (ΔE g kT ) . I p

对于突变异质结来讲, q (V p -V n )≈ΔE V , 所以

[13]

, 厚度为1000 左右.

4. 2　基区设计考虑

HBT 基区层的设计, 尤其是工作在微波频率, 它

起着关键作用, 因为它强烈地影响着f T 和f M . 这里我们主要分析载流子在基区的渡越时间和基区体电阻对HBT 性能的影响.

我们知道f T 与少子在基区的渡越时间τB 有关, 即

τ2D B , B =W B

式中扩散系数

D B =μq . e kT

[17]

要减小集电结电容, 有效的办法是减少基区欧

姆接触区面积和缩短发射区到基极接触的间距. 因此, 在制作工艺中往往采用自对准工艺形成基区的欧姆接触区.

InP HB T 中B -C 结中加入GaInAsP (E g =0. 94eV ) , 变成InP (E ) InGa As (B , E g =0. 78eV ) GaInAsP (ΔE g =0. 94eV ) InP (C , E g =1. 35eV ) 结构.

4. 4　发射区、基区和收集区掺杂浓度的选择

16-3

高B , C 结击穿电压, 收集区的浓度为10c m 量级. EC 的欧姆接触区浓度要大于10cm

-3

(14)

和基区体复合电流. 因此

减少基区宽度, 从而减少渡越基区时间τB , 合适的基区掺杂提高少子寿命以及减小各种复合是对基区材料参数(几何尺寸和掺杂浓度) 设计必须考虑的重

要因素.

HBT 应用于开关电路, 开关时间可表示为

[19]

R B τR B C C ++(3C C +C L ) R L . (15) s =2R L

这里R B 为基区电阻, C C 为集电极电容, R L 和C L 为负载电阻和电容. 依上式, 降低R B 可以缩短开关时间.

qW B

τ, B =g1-E g2)

E g1-E g2

. qW B

. 另外, E , C

(16)

的高温特性, 国外已开始研制. HB T 的材料结构设计举例见表2.

表2　Al 0. GaAs HBT 材料结构3Ga 0. 7As 材料

cap n +-GaAs

n -Al x Ga 1-x As Al 0. E n -3Ga 0. 7As n -Al x Ga 1-x As B p -GaAs C n -GaAs n +-GaAs

厚度 nm 100—15030—50100—15030—5080—100400—500400—500

浓度 cm -32×1018

x =0—0. 3时为(3—5) ×1017x =0. 3时为(3—5) ×1017x =0. 3—0时为(3—5) ×1017

2×1019(5—10) ×1016

2×1018

式中E g1-E g2为基区的带隙变化, 产生的附加电场

E =

　　在双异质结双极晶体管中, 若集电区采用比基区大的带隙材料, 这样, 在CB 结处空穴势垒增加, 基区的掺杂浓度可进一步提高.

4. 3　集电区的设计考虑

集电区的厚度与载流子在集电区的渡越时间τC 有关, 厚度增加, 渡越时间加长, 同样f T 将下降. 集电区的渡越时间由下式表示:

τ2v s +C C (R E +R C ) , C =W C

(17)

式中W C 为集电区厚度, v s 为集电区中的电子饱和速度, C C 为集电结电容, R E , R C 为发射极和集电极电阻. 4. 5　异质结双极晶体管的制作工艺要点概述

图8给出台面结构的HBT 管芯剖面示意图.

对准工艺. 钝化层可采用SiON , 用PECVD 淀积. 基区自对准, 要求发射区台面形成倒台结构, 基区的厚度也要控制, 否则将造成E , B 结短路.

参

[1][2][3]

图8　采用自对准技术制作的HBT 剖面图

考文献

Sh ockl ey W . US patent , 1951, 2569347Kroemer H . Proc . IRE , 1957, 45:1535

Du mk e W P , Woodall J M , Rid eou t V L . Solid State Electron ics , 1972, 15:1339

虞丽生. 半导体异质结物理. 北京:科学出版社, 79—123[Y u L S . Semic on ductor Heteroju nctions Ph ys ics . Beijin g :Science Pres s , 79—123(in Chin ese ) ]

[4]

以AlGaAs Ga As 单异质结HBT 为例, 发射区和

[5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17]

And ers on R J . Sol id State Electron ics , 1962, 5:34

Perl man S S , Feu cht D L . Semicon duct or Heteroj unctions . Oxford :Pergamon Press , 1964. 7, 911

Fan Ren et al . MIJ -NSR , 1998, 3:Articl e 41

Pan kove J I , Leks on o M , Chang S S et al . MIJ -NSR , 1996, 1:Arti -cle 39

Pel ou ard J L , Littlejohn M A . SPIE In P and Related Material for Advanced an d Optical Devices , 1989, 1144:582Ha yes I R et al . Ap pl . Ph ys . Lett . , 1983, 43:949

Maik R J , Capasso F , S tall R A et al . Ap pl . Ph ys . Let t . , 1985, 46:600

Liu W , Cos ta D , Harris J S . IEEE Trans . El ectron Dev . , 1992, 39:2422

Nobu yu k , Hayama et a l . IEEE El ectron Device Lett . , 1987, ED L -8:246

2001年第7期《物理》内容预告

研究快讯铋系高温超导直流电缆的研制(林玉宝等) .

评述

高温超导薄膜无源微波器件的应用(李林) ; 微米纳米尺度热科学与工程学中的若干重要问题

及进展(刘静) .

知识和进展

结构生物学的新进展(张景强) ; 半导体材料的华丽家族———氮化镓基材料简介(孙

殿照) ;

光与新型氧化物材料的相互作用及其应用(郝建

华) ;

核爆模拟———惯性约束聚变在核武器上的应用(曾

先才等) .

物理学和高新技术

重离子束在医学治疗中的应用(卫增泉等) .

实验技术

纳米压痕技术在材料科学中的应用(谢存毅) .

讲座

半导体量子器件物理讲座　第四讲　共振隧穿器件

及其电路应用(李国华) .

物理学史和物理学家

π介子理论的提出———记日本物理学家汤川秀树

(姚立澄) .

半导体量子器件物理讲座第三讲异质结双极晶体管_HBT_

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