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异质结双极晶体管

2011-05-09 15:53:52   发表:
异质结双极晶体管HBT(HeterojunctionBipolorTransistar)是指发射区、基区和收集区由禁带宽度不同的材料制成的晶体管.异质结双极晶体管与传统的双极晶体管不同,前者的发射极材料不同于衬底材料,后者的整个材料是一样的,因而称为异质结器件。异质结双极晶体管的发射极效率主要由禁带宽度差决定,几乎不受掺杂比的限制。这就大大地增加了晶体管设计的灵活性。 

1998年10月IBM首次量产锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)。由于SiGe HBT具有GaAs的性能,而与硅工艺的兼容性又使其具有硅的低价格,因此SiGe技术获得了长足的进展, SiGe HBT技术已成为RF集成电路市场的主流技术之一,并对现代通信技术的发展产生了深远的影响。HBT基的射频集成电路(RFIC)已在蜂窝移动电话末级功率放大器、基站驱动级、有线电视的光纤线路驱动器上获得成功,证明HBT的性能比通用的MESFET的性能更好。 

异质结双极晶体管类型很多,主要有SiGe异质结双极晶体管, GaAlAs/GaAs异质结晶体管,和NPN型InGaAsP/InP异质结双极晶体管, NPN AlGaN/GaN异质结双极晶体管等. 

异质结双极晶体管是纵向结构的三端器件,发射区采用轻掺杂的宽带隙半导体材料(如GaAs、InP),基区采用重掺杂的窄带隙材料(如AlGaAs、InGaAs)。ΔEg的存在允许基区比发射区有更高的掺杂浓度,因而可以降低基极电阻,减小发射极-基极电容,从而能得到高频、高速、低噪声的性能特点。由于ΔEg>0、并且有一定的范围,所以电流增益也很高,一般直流增益均可做到60以上。特别值得指出的是,用InGaAs作基区,除了能得到更高的电子迁移率外,还有较低的发射极-基极开启电压和较好的噪声特性。它的阈值电压严格的由ΔEg决定,与普通的FET的阈值电压由其沟道掺杂浓度和厚度决定相比容易控制、偏差小且易于大规模集成。这也是HBT重要的特点。HBT的能带间隙在一定范围内可以任意地进行设计。 

异质结双极晶体管的结构特点是具有宽带隙的发射区,大大提高了发射结的载流子注入效率。HBT的功率密度高,相位噪声低,线性度好,单电源工作,虽然其高频工作性能稍逊于PHEMT,但它特别适合在低相位噪声振荡器、高效率功率放大器、宽带放大器中应用。 

下表是RF IC的几种工艺的性能比较:  

 

最近几年,除GaAs基的HBT已达到了相当好的速度,如fT=170GHZ以外,InP基的HBT发展也很快,其最好的器件fT及fmax已超过200GHZ,SiGeHBT则是近年来人们十分重视的器件;主要原因是硅的VLSI发展已很成熟,SiGeHBT可以借用VLSI的工艺较快用到微电子领域。近几年已有报导采用商用的超高真空CVD(UHVCD)设备在8″CMOS线上制作的SiGe外延材料制作的HBT,形成12位数模转换器,其工作速度达1GHZ,比硅器件要快很多,而功耗延迟乘积也优于已实用的三五族化合物材料的异质结器件。 

典型的InGaAs/InP 单和双异质结二级型晶体管(SHBT和DHBT)如下图:  

 


SHBT和DHBT由多种材料的化合物制成,起始于磷化铟衬底。 

InGaAs/InP是一种很重要的HBT材料.InGaAs/InP相比于其他材料的优点: 

InGaAs中的高电子迁移率(GaAs中的1.6倍,Si中的9倍)。瞬时电子过冲的程度也比GaAs中的大。所以可以得到较高的ft值。 

InGaAs的能带隙比Si和GaAs的窄,可以制造有低开启电压( VBE)和低功率耗散的磷化铟HBT。 

对于给定的掺杂级,磷化铟有较高的击穿电场。 

InGaAs表面的复合速度(10^3cms^-1)比GaAs表面的(10^6cms^-1)小得多。减小了发射极周围由表面复合速度引起基极电流。 

比GaAs高的衬底导热率(0.7vs0.46Wcm/K)。 

这种器件与光源和1.3μm 波长辐射的光电探测器直接兼容,相当于基于Si的光纤中的最低色散波长。所以它对OEIC集成很有用。

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