微波功率晶體管增益-頻率研究

劉秋妤，李 媛

（渤海大學新能源學院，錦州121013）

1 引 言

近些年來，伴隨著技術的不斷發(fā)展，很多優(yōu)質并且價格優(yōu)惠的微波晶體管不斷出現(xiàn)，從分立器件到MMIC，這些微波晶體管被廣泛應用到通信、遙測、雷達、導航、生物醫(yī)學、電子對抗、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等各個領域[1-3]。在實際應用中，由于設備和電路的差異，對晶體管特性的要求也各不相同，除直流特性以外，其他特性可能只對其中的某幾項做出要求，比如：盡可能提高工作頻率、增大輸出功率、降低噪聲、提高開關速度、提高可靠性和降低成本等。從工藝設計角度來看，不同特性之間存在著相互制約的關系，所以在設計時就要為了某個主要特性犧牲一些次要特性，尋求平衡的方案?；诖耍槍τ绊懳⒉ňw管特征頻率fT與電流放大倍數(shù)β 的各個因素進行仿真研究，嘗試調節(jié)雙極型硅微波晶體管的襯底濃度，基區(qū)、N+區(qū)、P+區(qū)離子注入和材料參數(shù)中的載流子壽命等因素使之達到對器件功能的最優(yōu)組合。

2 器件結構及相關工藝的選擇

硅微波晶體管具有芯片面積小、電流容量大、特征頻率高等特點。此類器件芯片在設計和制造上的難點主要有兩點：一是在較小的芯片面積上，所設計的發(fā)射區(qū)條寬、發(fā)射區(qū)周長以及各區(qū)摻雜濃度、結深等參數(shù)如何滿足產品電流容量、大電流直流增益及飽和壓降等的要求；二是芯片結構參數(shù)設計及外延層質量的控制如何做到同時滿足低飽和壓降、集射擊穿電壓、特征頻率及開關時間的要求。

雙極型硅微波晶體管器件結構如圖1 所示。對其基本結構參數(shù)及工藝參數(shù)的選取有如下考慮[4-6]：

晶體管單元寬度（相鄰基極中點之間的距離）為0.8μm；對于硅微波晶體管，著重考慮其頻率特性和電流容量，因此外延層厚度較薄，摻雜濃度較高，因此，取N 型外延層厚度為1μm，外延層砷摻雜濃度為2×1016cm-3，外延層少子壽命為5μs；為制備薄基區(qū)，基區(qū)雜質注入劑量和注入能量較低，工作基區(qū)硼注入能量為18keV，注入劑量為2.5×1013cm-2；為消除離子注入對硅的晶格損傷，采用退火處理，工作基區(qū)退火時間為60min，退火溫度為920℃；晶體管工作基區(qū)表面濃度為4×1018cm-3，工作基區(qū)結深為0.29μm。

為同時提高硅微波晶體管的截止頻率并改善基區(qū)電阻自偏壓效應，硅微波晶體管采用多晶硅發(fā)射極結構。多晶硅發(fā)射極厚度為0.3μm，多晶硅發(fā)射極寬度為0.4μm。

為降低多晶硅與金屬電極的接觸電阻并調整多晶硅功函數(shù)，對多晶硅進行砷摻雜，砷注入劑量為7.5×1015cm-2，注入能量為50keV。

為降低多晶硅及硅材料中的溫度誘生缺陷，采用低溫退火工藝。在干氧氣氛中退火25min，溫度為920℃；隨后在氮氣中退火50min，溫度為900℃，形成發(fā)射區(qū)結深為0.079μm，發(fā)射區(qū)表面濃度為1.8×1020cm-3，多晶硅峰值濃度為5×1019cm-3。

采用大面積二次注硼，實現(xiàn)發(fā)射區(qū)與基極之間硼的橫向變摻雜，利用內建電場增強少子的輸運，降低少子復合損耗。二次硼注入劑量為2.5×1013cm-2，注入能量為18keV。

淀積側墻氧化層，氧化層厚度為0.4μm；干法刻蝕氧化層，刻蝕氧化層厚度為0.5μm?；鶚O接觸區(qū)域硼注入（三次硼注入），注入劑量為1×1015cm-2，注入能量為30keV。退火時間為60min，溫度為900℃，氮氣氣氛。

基極接觸區(qū)硼表面濃度為3.5×1019cm-3。金屬電極厚度為0.05μm。

圖1 雙極型硅微波晶體管結構

3 器件仿真及結果分析

仿真在基于上述結構及工藝設計下進行，環(huán)境溫度設定為27℃（300K）。在對生成器件結構的電性能的仿真中，針對特征頻率測試和電流放大倍數(shù)的測試，設定集電極偏壓為2V，基極偏壓在0.2~0.9V范圍內掃描，步進電壓為0.05V，基頻為1MHz。在仿真過程中考慮了硅材料載流子遷移率受硅材料摻雜濃度、電場的影響，載流子的SRH 復合損耗受到硅材料摻雜濃度的影響，載流子復合損耗同時受到俄歇復合的影響；另外還考慮了fermi 載流子統(tǒng)計分布模型。

聲子躍遷發(fā)生在半導體禁帶的一個陷阱（或缺陷）中，實際上是一個兩步的過程，先是由Shockley導出，其后又有Hall 進行推導，從而得出Shockley-Read-Hall 復合模型[7-8]：

ETRAP 是陷阱能級和固有費米能級之間的差值，TL是晶格的開氏溫度，TAUN0和TAUP0是SRH復合電子和空穴的壽命。

特征頻率fT的定義是電流放大倍數(shù)β 值降為1時的晶體管工作頻率。它是表征高頻晶體管放大能力的一個參量。對于雙極型晶體管而言，也被稱為增益帶寬積[9]。

分貝是放大器增益的單位，當放大倍數(shù)用分貝來表示時，就被稱之為增益。放大倍數(shù)與增益是同一概念的兩種稱呼。三極管的放大倍數(shù)也被稱為三極管的電流分配系數(shù)，通常用希臘字母β 表示。β 的計算方式為漂移到集電區(qū)的電子數(shù)或其變化量與在基區(qū)復合的電子數(shù)或其變化量之比[10]。

圖2 為襯底摻雜濃度對雙極型硅微波晶體管電流放大倍數(shù)β 和特征頻率fT的影響。由圖可見，隨著外延層摻雜濃度的增大，β 先減小后增大，而fT一直增大。當外延層摻雜濃度較低時，隨著外延層摻雜濃度的增大，外延層少子壽命隨之減小，導致少子電流復合損耗增大，從而使得電流放大倍數(shù)隨著外延層摻雜濃度的增大而減小。

當外延層摻雜濃度較高時，集電區(qū)電導調制效應減弱，集電極電流增大，從而使得電流放大倍數(shù)隨著外延層摻雜濃度的增大而增大。隨著外延層摻雜濃度的增大，對集電結勢壘電容和發(fā)射結勢壘電容充放電電流增大，導致晶體管特征頻率隨著外延層摻雜濃度的增大而增大。對于下一步工藝來說，增大襯底濃度使得載流子濃度減小，載流子壽命也減小，所以fT一直增大。若襯底濃度較小，器件整體結構不受影響；襯底濃度過大時，就會影響器件基區(qū)濃度，從而影響禁帶寬度。襯底濃度過大，就改變了晶體管結構，使放大倍數(shù)減小。所以放大倍數(shù)先減小，之后又增大。

圖2 不同襯底濃度下fT 與β 曲線

圖3 為基區(qū)注入離子濃度對雙極型硅微波晶體管電流放大倍數(shù)β 及特征頻率fT的影響。由圖可見，注入離子濃度越大，fT與β 越?。蛔⑷腚x子濃度越小，fT與β 越大。隨著基區(qū)硼離子注入劑量的增大，基區(qū)輸運系數(shù)降低，從而導致電流放大倍數(shù)隨著基區(qū)注入劑量的增大而減小。仿真中器件襯底為砷，濃度為2×1016cm-3。當注入硼時，形成P 型基區(qū)，改變一側摻雜濃度就相當于改變了基區(qū)寬度。增大摻雜濃度時，就會增大基區(qū)厚度?；鶇^(qū)厚度增大，載流子所需渡越時間也增大，電流損耗就大。所以注入濃度越高，特征頻率以及放大倍數(shù)越小，呈現(xiàn)如圖3 所示變化。

圖3 不同基區(qū)注入離子濃度下fT與β 曲線

圖4 為不同N+區(qū)注入離子濃度對雙極型硅微波晶體管電流放大倍數(shù)β 和特征頻率fT的影響。由圖可見，多晶硅注入離子劑量越大，fT與β 越大；增大多晶硅注入劑量就是增加了N+區(qū)濃度，增大了埋層與N+區(qū)之間的濃度差，相當于增加了重摻雜一側濃度，結深增大。隨著發(fā)射區(qū)注入劑量的增大，發(fā)射區(qū)注射效率增大，從而導致電流放大倍數(shù)隨著發(fā)射區(qū)注入劑量的增大而增大。同時，因為多晶硅中離子是通過擴散的方式進入到襯底，形成N+區(qū)的，所以改變擴散時間與溫度也會改變N+區(qū)濃度。溫度不變，擴散時間越長，N+區(qū)濃度越大。放大倍數(shù)與特征頻率越大，擴散時間越短，N+區(qū)濃度越小，放大倍數(shù)與特征頻率越小。擴散時間不變，溫度越高，N+區(qū)濃度越大，放大倍數(shù)與增益頻率乘積越大，溫度越低，N+區(qū)越小，放大倍數(shù)與特征頻率越小。

圖4 不同N+區(qū)注入離子濃度下fT 與β 曲線

圖5 為P+區(qū)注入離子濃度對雙極型硅微波晶體管電流放大倍數(shù)β 和特征頻率fT的影響。由圖可見，隨著P+區(qū)硼離子注入劑量的增大，β 先增大后減小，fT一直減小。P+區(qū)硼離子注入劑量的增大，導致集電結及發(fā)射結空間電荷區(qū)變窄（在特征頻率測試中集電極施加偏壓的情況下），導致集電結和發(fā)射結勢壘電容增大，勢壘電容充放電時間加長，從而使得晶體管特征頻率隨著P+區(qū)硼離子注入劑量的增大而降低。另外增大注入硼濃度，增大了P+區(qū)離子濃度，使得基區(qū)厚度增大，所以fT減小。在P+區(qū)硼離子注入劑量較低時，隨著P+區(qū)硼離子注入劑量的增大，在一定程度上增強了基區(qū)自建電場，導致基區(qū)輸運系數(shù)隨之增大，進而使得電流放大倍數(shù)隨著P+區(qū)硼離子注入劑量的增大而增大。在P+區(qū)硼離子注入劑量較高時，隨著P+區(qū)硼離子注入劑量的增大，導致發(fā)射區(qū)注射效率降低，從而使得電流放大倍數(shù)隨著P+區(qū)硼離子注入劑量的增大而減小。當增大注入濃度使N+區(qū)離子濃度減小，發(fā)射極電流會先增大后減小，所以放大倍數(shù)先增大后減小。

圖5 不同P+區(qū)注入離子濃度下fT 與β 曲線

圖6 為SRH 復合的電子壽命及空穴壽命對雙極型硅微波晶體管電流放大倍數(shù)fT和特征頻率β的影響。由圖可見，β 隨SRH 復合的電子壽命和SRH 復合的空穴壽命逐漸增大，fT隨SRH 復合的電子壽命和SRH 復合的空穴壽命逐漸減小，減小的程度也越來越小。隨著外延層少子壽命的增大，少子電子在基區(qū)輸運過程中的復合損耗降低，基區(qū)輸運系數(shù)增大，在發(fā)射區(qū)注射效率不變的情況下，硅微波晶體管電流放大倍數(shù)隨之增大。

當少子壽命增大到一定值時，少子在基區(qū)及集電區(qū)中的擴散長度較長（少子壽命越高，少子擴散長度越長），其遠遠大于基區(qū)寬度和集電區(qū)厚度，因此，少子壽命增大到一定時，電流放大倍數(shù)隨著少子壽命的增大，上升的幅度變緩。隨著少子壽命的增大，各個結電容的充放電時間變長，從而導致隨著少子壽命增大，晶體管特征頻率降低。載流子壽命的減小意味著在少子器件里，載流子消失得很快，頻率提高。而載流子壽命的減小也意味著電流的減小，所以β 也減小。

圖6 不同SRH 復合的電子及空穴壽命下fT 與β 曲線

綜上所述，增大外延層摻雜濃度不僅有利于提高電流放大倍數(shù)，也有利于提高晶體管特征頻率；增大基區(qū)注入劑量對電流放大倍數(shù)和特征頻率的提高有不利影響；增大發(fā)射區(qū)注入劑量有利于提高電流放大倍數(shù)和特征頻率；電流放大倍數(shù)和特征頻率對P+區(qū)注入劑量的要求存在矛盾，降低P+區(qū)注入劑量有利于提高特征頻率，但不利于提高電流放大倍數(shù)；電流放大倍數(shù)與特征頻率對外延層少子壽命的要求存在矛盾，提高外延少子壽命有利于提高大電流放大倍數(shù)，但不利于提高特征頻率。

4 結 束 語

利用TCAD 半導體器件仿真軟件對雙極型硅微波晶體管結構參數(shù)、工藝參數(shù)及輸出特性進行仿真研究，得以全面系統(tǒng)地分析了外延層材料摻雜濃度、少子壽命、基區(qū)和發(fā)射區(qū)注入劑量和注入能量對雙極型硅微波晶體管電流放大倍數(shù)和特征頻率的影響。通過仿真得到：增大外延層摻雜濃度、降低基區(qū)注入劑量、增大發(fā)射區(qū)注入劑量有利于提高電流放大倍數(shù)和特征頻率。增大外延層少子壽命有利于電流放大倍數(shù)的提高，但不利于特征頻率的提高。這一仿真結果可為硅微波器件的設計和制備提供有意義的參考信息。