InP/In0.53Ga0.47As/InP雙異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的仿真與分析*

朱新宇,陳茜

貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院,貴陽(yáng) 550025

1 引 言

近年來(lái),信息科技的飛速發(fā)展,半導(dǎo)體行業(yè)也緊跟時(shí)代腳步不斷發(fā)展.人類的生活已經(jīng)離不開(kāi)智能手機(jī)、智能手表以及手環(huán)等便攜式穿戴設(shè)備,異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(Heterojunction Bipolar Transistor,HBT)作為基礎(chǔ)元件出現(xiàn)在任何一臺(tái)通訊設(shè)備的芯片當(dāng)中.HBT是基于同質(zhì)結(jié)雙極型晶體管結(jié)構(gòu),在發(fā)射區(qū)采用寬帶隙二元化合物的器件[1].In0.53Ga0.47As/InP的異質(zhì)結(jié)材料比普通的砷化鎵材料也有著更高的電子遷移率、更高的截止頻率以及更好的散熱性能[2-5].InGa As禁帶寬度為0.75 e V,與InP禁帶寬度能夠完美匹配,所以才選用該異質(zhì)結(jié)材料來(lái)制備晶體管[6-8].然而,目前我們國(guó)家正在面臨新能源以及新材料開(kāi)發(fā)的挑戰(zhàn),研究這種新的異質(zhì)結(jié)材料也是挑戰(zhàn)的突破口,更能夠全面推動(dòng)半導(dǎo)體材料的進(jìn)程[9].

雙異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(Double Heterojunction Bipolar Transistor,DHBT)是通過(guò)基極-集電極區(qū)域In0.53Ga0.47As/InP內(nèi)加入第二個(gè)異質(zhì)結(jié)構(gòu),使得所有結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)環(huán)境中的外延關(guān)系得以改善,晶體管性能得到提升[10].因?yàn)镮nP/In0.53Ga0.47As/In P DHBT具有高擊穿電壓以及高速運(yùn)行的特點(diǎn),近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外被廣泛研究:余曙芬等人通過(guò)基區(qū)外延層參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì),可以改進(jìn)多指HBT器件的熱穩(wěn)定性[11];石瑞英等人設(shè)計(jì)出了一個(gè)新型結(jié)構(gòu)的復(fù)合收集區(qū)HBT提高器件的性能[12];周國(guó)等人對(duì)發(fā)射區(qū)臺(tái)面設(shè)計(jì)來(lái)提高器件性能[13].目前就DHBT的熱學(xué)特性的研究較少,本文運(yùn)用模擬仿真軟件Silvaco-TCAD構(gòu) 建InP/In0.53Ga0.47As/InP雙 異 質(zhì)結(jié)雙極型晶體管模型,分析研究摻雜濃度、基區(qū)厚度以及溫度對(duì)器件的電學(xué)以及熱學(xué)性能的影響,進(jìn)而為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供一定思路.

2 實(shí)驗(yàn)方法

在In P/In0.53Ga0.47As/InP DHBT中,基極材料使用In0.53Ga0.47As,集電極材料使用InP,InGaAs導(dǎo)帶要低于InP導(dǎo)帶,因此在基極-集電極間會(huì)形成尖峰.這種現(xiàn)象會(huì)阻止電子向集電極移動(dòng),使得基極電流增加并導(dǎo)致電子在集電極速度減小,因此通過(guò)引入摻雜層以及漸變層來(lái)消除導(dǎo)帶尖峰.

通過(guò)漂移-擴(kuò)散模型得到的電流密度為[14]:

式中的J n為電子的電流密度,q代表的是基本電荷,μn代表電子的遷移率,n代表電子濃度,代表電場(chǎng)強(qiáng)度,D n代表電子擴(kuò)散系數(shù).本文所用到的DHBT結(jié)構(gòu)如圖1所示.襯底是InP材料,集電區(qū)是濃度為5×1016cm-3的n型InP材料,厚度為300 nm;基區(qū)是濃度為3×1019cm-3的p型In0.53Ga0.47As材料,厚度為50 nm;發(fā)射區(qū)是濃度為5×1017cm-3的n型InP材料,厚度為100 nm;帽層是濃度為2×1019cm-3的n+型In0.53Ga0.47As材料,厚度為100 nm.

圖1 器件的結(jié)構(gòu)示意圖

如果基極電流增益越大,就說(shuō)明了電路當(dāng)中無(wú)關(guān)的功耗就會(huì)減少.HBT的電流增益表示為[15]:

空間電荷區(qū)的基區(qū)體復(fù)合電流以及空間電荷區(qū)的復(fù)合電流構(gòu)成了基極電流J B,J c為集電極電流,J SCR為基區(qū)表面復(fù)合電流,Jpe為基區(qū)空穴反向注入電流.電流增益與基極電流有關(guān),選用比較適合結(jié)構(gòu)的材料參數(shù),能夠有效降低復(fù)合電流而且起到提高電流增益的作用,比如減小基區(qū)厚度能夠減小基區(qū)的體復(fù)合電流[16].

截止頻率f T以及最高振蕩頻率fmax是DHBT兩個(gè)最主要的性能指標(biāo),研究這兩個(gè)參數(shù)對(duì)提升DHBT性能有著十分重要的意義.f T指的是異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管在共射偏置時(shí)使電流增益為1的頻率.除截止頻率f T之外,經(jīng)常也會(huì)采用最高振蕩頻率fmax.fmax指的是異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管功率增益為1時(shí)的頻率.截止頻率f T和器件的電容、電阻以及摻雜濃度有著緊密的聯(lián)系.它們之間的關(guān)系可以表示為[17]:

式中r e是發(fā)射極接觸電阻,Rb、R C以及Re分別為基極、集電極以及發(fā)射極的接觸電阻以及串聯(lián)電阻之和,Wb為基區(qū)寬度,Dbn為基區(qū)電子擴(kuò)散系數(shù),Ceb為發(fā)射極-基極的結(jié)電容,Cbc為基極-集電極的結(jié)電容,x m為基極-集電極耗盡層厚度,Vcs為集電極電子飽和速度.通過(guò)以上的公式能夠得知,應(yīng)該盡量減少異質(zhì)結(jié)以及電極的寄生電容以及電阻,以此來(lái)提高HBT的截止頻率.

本文數(shù)據(jù)通過(guò)Atlas模塊內(nèi)的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)構(gòu)建整個(gè)InP/In0.53Ga0.47As/InP DHBT結(jié)構(gòu),選取壽命模型(srh)以及遷移率模型(co nmob、fldmob)等主要物理模型,因此使用該模型語(yǔ)句來(lái)定義所有區(qū)域使用模型,計(jì)算方法為Newton迭代法.運(yùn)用軟件對(duì)器件進(jìn)行構(gòu)造,并且研究DHBT器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變來(lái)分析得到更好的器件性能參數(shù).表1為所選取的兩種材料參數(shù)的經(jīng)典取值[18].

表1 仿真模型的器件材料參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 摻雜濃度對(duì)器件的影響

從模擬結(jié)果圖2(a)可知,基極電壓從0.4 V開(kāi)始,間隔0.05 V,到1.5 V結(jié)束.圖2給出基區(qū)的摻雜濃度的變化趨勢(shì)(摻雜濃度分別為3×1019cm-3、4×1019cm-3、1×1020cm-3、4×1020cm-3).能夠看出,基區(qū)電壓在0.4 V～0.75 V范圍內(nèi),電流增益是逐漸增大的,但是在0.75 V～1.5 V范圍內(nèi),電流增益隨著基極電壓增大而減小,在基極電壓到達(dá)0.75 V附近不同濃度的基區(qū)結(jié)構(gòu)下電流增益都能達(dá)到一個(gè)峰值,在濃度達(dá)到4×1019cm-3的時(shí)候,電流增益可以達(dá)到一個(gè)最佳狀態(tài),其峰值能達(dá)到125左右.截止頻率由電流增益而決定,當(dāng)增益趨于一致時(shí)達(dá)到f T.由圖2(b)可知,當(dāng)頻率達(dá)到8.3 V,圖中四組濃度的電流增益趨于一致,所以濃度對(duì)截止頻率沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)大的影響.由圖2(c)可以看出,四組濃度的最大振蕩頻率fmax是一致的,單邊功率增益有效地表示了晶體管能夠?qū)崿F(xiàn)的最大的功率效應(yīng),當(dāng)濃度到達(dá)4×1020cm-3時(shí),晶體管的單邊功率增益達(dá)到最大值.因?yàn)閾诫s濃度的升高,內(nèi)建電勢(shì)電場(chǎng)差變大,對(duì)應(yīng)尖峰勢(shì)壘高度以及寬度減小,電子遷移率升高使得有著很好的半導(dǎo)體導(dǎo)電性[19].但如果增大摻雜濃度使得缺陷密度過(guò)大時(shí),填充因子降低,會(huì)使得晶體管質(zhì)量下降.

圖2 不同濃度下(a)電流放大倍數(shù)、(b)電流增益、(c)單邊功率增益、(d)電流密度J c

為了比較清晰地表現(xiàn)基區(qū)摻雜濃度對(duì)DHBT器件熱穩(wěn)定性的影響,下面在1×1019cm-3和4×1019cm-3的區(qū)間內(nèi)選取了5組不同摻雜濃度來(lái)進(jìn)行分析,仿真出五組不同基區(qū)摻雜濃度條件下的電流增益崩塌曲線,如圖3.從圖4中選取集電極Ic=0.04 A對(duì)應(yīng)的Vce的取值,計(jì)算得出在不同摻雜濃度條件下的臨界功率密度Pcritical變化曲線.由圖4可知,基區(qū)摻雜濃度和臨界功率密度Pcritical的關(guān)系變化并不是一直不變的.如果基區(qū)摻雜濃度很小,隨著基區(qū)摻雜濃度的上升,Pcritical就會(huì)下降,由此可知器件的熱穩(wěn)定性也會(huì)下降;濃度達(dá)到2×1019cm-3時(shí),器件的熱穩(wěn)定性是最差的狀態(tài);然后濃度大于2×1019cm-3臨界值的時(shí)候,熱穩(wěn)定性也會(huì)上升,等濃度達(dá)到4×1019cm-3,Pcritical達(dá)到了最大值,此時(shí)器件的熱穩(wěn)定性能是最好的.

圖3 五組不同濃度下的崩塌曲線

圖4 不同基區(qū)摻雜濃度下的臨界功率密度變化

3.2 厚度對(duì)器件的影響

厚度是影響異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管性能的因素之一,通過(guò)調(diào)整厚度能夠在器件各層之間進(jìn)行更精確的分配,以此來(lái)提高器件性能.為了研究器件基區(qū)的最佳厚度數(shù)據(jù),分別模擬器件不同基區(qū)厚度對(duì)器件性能的影響.

圖5(a)給出不同厚度時(shí)集電極電流對(duì)電流增益的影響.由圖中能夠知道在集電極電流達(dá)到了1×10-4A時(shí),電流增益趨于穩(wěn)定,基區(qū)厚度變大也會(huì)使得電流增益變小.由圖5(b)能夠看出隨著增大基區(qū)厚度,DHBT輸出特性得到提升,增大厚度能夠降低C-B結(jié)導(dǎo)帶峰高度,增加基區(qū)電流注入,并且DHBT的輸出性能得到改善.圖5(c)和圖5(d)能夠得到截止頻率和單邊功率效應(yīng)不會(huì)受到厚度變化的影響.

圖5 不同厚度下(a)電流增益、(b)I-V特性、(c)截止頻率、(d)單邊功率效應(yīng)

為了較為清晰地表現(xiàn)出基區(qū)厚度對(duì)DHBT器件熱穩(wěn)定性的影響,下面模擬仿真會(huì)在基區(qū)厚度為50 nm和100 nm當(dāng)中選取5個(gè)不同的摻雜濃度來(lái)進(jìn)行仿真分析,繪制出了5條不同的基區(qū)摻雜濃度條件下的共射極輸出特性曲線,由圖6可知.從圖6中選取集電極I c=0.04 A對(duì)應(yīng)的Vce的取值,計(jì)算得出在不同厚度條件下的臨界功率密度Pcritical變化曲線,如圖7所示.基區(qū)厚度和臨界功率密度Pcritical的變化也是非單調(diào)的,有著極大值和極小值.在基區(qū)厚度為50 nm～70 nm之間,隨著基區(qū)厚度的變大臨界功率密度會(huì)隨之增大,器件的熱穩(wěn)定性也保持一個(gè)良好狀態(tài);當(dāng)厚度達(dá)到50 nm時(shí),器件的熱穩(wěn)定性能達(dá)到峰值,處于最佳狀態(tài);隨著厚度增加至80 nm時(shí),器件的熱穩(wěn)定性逐漸變差;當(dāng)厚度到達(dá)80 nm時(shí),熱穩(wěn)定性處于一個(gè)較差狀態(tài);隨后器件的熱穩(wěn)定性也逐漸恢復(fù)正常.

圖6 不同基區(qū)厚度條件下的崩塌曲線

圖7 不同基區(qū)厚度條件下臨界功率密度變化

3.3 溫度對(duì)器件的影響

通過(guò)模擬溫度對(duì)DHBT的影響,比較晶體管的I c/I b、電流增益、單邊功率增益以及最高振蕩頻率隨著溫度從260 K到400 K的變化關(guān)系,結(jié)果如圖8所示.

通過(guò)圖8(a)可以發(fā)現(xiàn),在260 K到400 K的范圍內(nèi),開(kāi)啟電壓隨溫度上升而下降,這個(gè)現(xiàn)象可以用半導(dǎo)體材料帶隙寬度的溫度效應(yīng)解釋,溫度上升可能會(huì)影響材料的晶格膨脹以及增強(qiáng)晶格振動(dòng),因此會(huì)使材料帶隙寬度減小,但是溫度下降時(shí),帶隙就會(huì)變大.從圖8(b)可以看出,電流的放大倍數(shù)是隨溫度的升高而逐漸減小的,而到了370 K之后放大倍數(shù)就趨于穩(wěn)定了,所以需要選定較低的溫度環(huán)境才能夠達(dá)到一個(gè)比較好的放大效應(yīng).從圖8(c)可以看出,功率增益隨溫度變化的波動(dòng)較小,總體范圍大概在30到31之間,可以忽略不計(jì).最后從圖8(d)中能夠發(fā)現(xiàn),晶體管的截止電壓在260 K到280 K為恒定值,溫度達(dá)到280 K截止頻率逐漸上升達(dá)到320 K后趨于穩(wěn)定,這表明DHBT有著很好的溫度穩(wěn)定性.

圖8 溫度對(duì)晶體管的特性影響:(a)開(kāi)啟電壓、(b)電流放大系數(shù)、(c)單邊功率增益、(d)頻率特性

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)InP/In0.53Ga0.47As/In P的雙極型晶體管,并且模擬了基區(qū)濃度、基區(qū)厚度以及溫度對(duì)器件的電學(xué)特性以及熱穩(wěn)定性的影響.結(jié)果表明這種DHBT開(kāi)啟電壓大約能達(dá)到0.4 V,有著比較好的開(kāi)啟電壓,當(dāng)濃度達(dá)到4×1019cm-3的時(shí)候,電流增益可以達(dá)到一個(gè)最佳狀態(tài),其峰值能達(dá)到125左右,且濃度對(duì)f T以及f max沒(méi)有太大影響.隨著基區(qū)厚度以及摻雜濃度的增大,InP/In0.53Ga0.47As/InP DHBT的電流增益逐漸降低.對(duì)比基區(qū)摻雜濃度,改變基區(qū)厚度對(duì)電流增益的影響更大.當(dāng)增大基區(qū)厚度時(shí),電流增益會(huì)減小,改變厚度能夠使DHBT輸出特性得以提升,并且提高基區(qū)電流的注入.而且DHBT具有很好的溫度穩(wěn)定性.對(duì)于DHBT的熱學(xué)特性,通過(guò)研究基區(qū)摻雜濃度以及厚度對(duì)器件熱穩(wěn)定性的影響知道,摻雜濃度以及厚度對(duì)熱穩(wěn)定性的影響不具有單調(diào)性,可能會(huì)出現(xiàn)極好或者極壞的情況.這些理論數(shù)據(jù)為今后制備高效的InP/InGaAs/InP異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管提供了客觀依據(jù).