壓焊點底下介質(zhì)容抗對HBT高頻性能影響*

周守利,李獻杰,黃永清,任曉敏*

1.浙江工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院,杭州 310014;2.中國電子科技集團公司第十三研究所,石家莊 050051 3.北京郵電大學(xué)光通信與光波技術(shù)教育部重點實驗室,北京 100876

隨著材料生長技術(shù)和器件制作工藝技術(shù)的進步,HBT的高頻性能不斷得以提高,已在微波、毫米波器件和高速集成電路中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

HBT的高頻特性不僅受外基區(qū)電阻、基區(qū)電極接觸電阻、外基區(qū)–集電區(qū)電容和布線電感等參量制約,而且襯底電容也是不可忽略的影響器件高頻特性的寄生參數(shù),特別是對于功率晶體管來說,集電區(qū)–襯底的面積遠大于發(fā)射區(qū),故襯底電容在零偏時的值將很大,而襯底電容的存在將對 HBT的 BC結(jié)電容 Cbc產(chǎn)生寄生效應(yīng)[1],Cbc是限制 HBT工作頻率和器件高速性能的主要因素之一[2]。因此襯底質(zhì)量問題是影響 HBT器件可靠性的關(guān)鍵因素之一,襯底材料將極大地影響器件的頻率性能,通常在射頻 HBT器件制備工藝上需要采用特殊方法使襯底盡可能的絕緣化[3-4]。但在HBT與光電探測器如 PIN的光電集成(OEIC)器件的設(shè)計中,堆疊式的外延結(jié)構(gòu)不可避免的會引入寄生電容[5]。

本文基于壓焊點底下具有額外介質(zhì)的一個用來與 PIN集成的 HBT與壓焊點底下只有理想半絕緣襯底的一個傳統(tǒng) HBT的高頻測量數(shù)據(jù)之間的比較,探討了襯底如果存在介質(zhì)容抗情況下器件的高頻性能的降級退化問題。

1 實驗

實驗采用的外延片是由中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所提供的,外延層是在半絕緣(100)面 InP襯底上用 GSMBE技術(shù)生長的。材料的兩種外延結(jié)構(gòu)如圖 1、圖 2所示,Si和 Be分別作為 n型和 p型摻雜劑;圖 1結(jié)構(gòu)制備得到的器件記為HBT-1,圖 2結(jié)構(gòu)制備得到的器件記為 HBT-2。兩外延片結(jié)構(gòu),在基區(qū)兩測有兩層 5 nm厚未摻雜的In0.53Ga0.47As隔離層,主要是為了防止基區(qū)雜質(zhì)外擴散到發(fā)射區(qū)和集電區(qū)[6]。兩外延片結(jié)構(gòu)用來制備 HBT的部分唯一不同之處是基區(qū)厚度的不同;此外,對于圖 2所示的 InP基外延片結(jié)構(gòu),200 nm厚的 InP緩沖層底到襯底之間的額外部分用來制作為 p-i-n-PD,以探討其與 HBT的集成(200 nm厚的緩沖層用作為 HBT與 PD的隔離)。為了避免臺面太厚而致引線斷裂的問題[7],不同于 HBT集電區(qū)腐蝕至襯底的習(xí)慣做法,對于圖 2外延片結(jié)構(gòu) HBT的制備,集電區(qū)只腐蝕至 InP緩沖層上面;因此對于 HBT-2,壓焊點下面等效于襯底的材料包括 200 nm厚的緩沖層及其底下的整個結(jié)構(gòu)。

圖1 HBT-1的外延片結(jié)構(gòu)

兩外延片在同一的投片流程中采用相同的制備工藝,共用的掩膜版版圖如圖 3所示,發(fā)射極臺面AE=3μm×10μm。

圖2 HBT-2的外延片結(jié)構(gòu)

圖3 實驗所采用的版圖

2 高頻特性測試與分析

器件的高頻特性由 HP8510C網(wǎng)絡(luò)分析儀測得。對于發(fā)射極面積為 3μm×10μm的器件,在偏壓Vce=1.0 V、Ic=12mA時,在片測試了兩 HBT器件的 S參數(shù),并分別轉(zhuǎn)換得到兩 HBT的正向電流增益 H21和功率增益 MaxGain隨頻率的變化曲線,如圖 4、圖 5所示。圖4作曲線的延長線,通過外推法可以得到 InP/In-GaAs HBT的截止頻率 fT為48GHz,最高振蕩頻率fMAX為31GHz;圖5與頻率橫坐標的交點可以讀出相應(yīng)的截止頻率 fT約為16.5GHz,最高振蕩頻率 fMAX約為 13 GHz。與圖 4的實驗結(jié)果相比,圖 5的 fT和 fMAX減少幅度分別為 66%和 58%;而對于圖示的器件結(jié)構(gòu),基區(qū)厚度從 60nm增加到80nm引起的 fT、fMAX經(jīng)估算減少不到 10%[8]。因此除了基區(qū)厚度的增加引起 fT和 fMAX略微的減少外,fT和fMAX很大一部分減少應(yīng)該歸因于壓焊點(Pad)下面的隔離層與 PD結(jié)構(gòu)的容抗所引起的寄生效應(yīng)[5,9]。圖 4和圖 5的測試結(jié)果的比較表明：由于制備得到的 HBT-2采用圖2堆疊式的外延片結(jié)構(gòu)的壓焊點(Pad)底下存在約 5×10-4pF/μm2的襯底電容Cps與 BC結(jié)電容 Cbc可比擬,因而 Cps與 HBT結(jié)電容、電阻的耦合較強,造成高頻段[-20 dB/decade]直線外推 fT、fMAX的規(guī)律有較大的誤差而不再有效,等效電路模型需作相應(yīng)的修正;而圖 1外延片結(jié)構(gòu)制備得到的HBT-1由于采用理想的半絕緣襯底,Pad底下的介質(zhì)電容 Cps與 BC結(jié)電容 Cbc相比極微可忽略,因而高頻段[-20dB/decade]直線外推 fT、fMAX的規(guī)律成立。

圖4 HBT-1的高頻特性

圖5 HBT-2的高頻特性

3 結(jié)束語

在高頻HBT的制備上,襯底的選擇和工藝處理也是一個不容忽視的問題,而且隨著工藝技術(shù)的進步,為了降低傳輸線的損耗,采用加入多層薄膜介質(zhì)層的襯底已有不少報道[10-11]。然而對于 HBT的高頻測試,由于不能直接準確測定 h參數(shù),因此常采用易于測量的 S參數(shù),然后再轉(zhuǎn)化為 h參數(shù),利用高頻段[-20 dB/decade]直線外推 fT、fMAX的規(guī)律得到相應(yīng)的 HBT高頻特性[12]。至目前為止,這種外推頻率法的準確程度受襯底質(zhì)量的影響問題還從沒得到過重視、且相關(guān)文獻報道也很少,因此本文對從事 HBT研制的科研和實驗測試人員具有一定的參考價值。

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