新型宽温区高热稳定性微波功率SiGe 异质结双极晶体管

宽温区大电流下的热不稳定性严重制约着功率SiGe 异质结双极晶体管 (HBT) 在射频和微波电路中的应用.为改善器件的热不稳定性, 本文利用SILVACO TCAD建立的多指功率SiGe HBT模型, 分析了器件纵向结构中基区Ge组分分布对微波功率SiGe HBT电学特性和热学特性的影响. 研究表明, 对于基区Ge组分为阶梯分布的HBT, 由于Ge组分缓变引入了少子加速电场, 使它与均匀基区Ge组分HBT相比, 具有更高的特征频率f_T, 且电流增益β和f_T随温度变化变弱, 这有利于防止器件在宽温区工作时电学特性的漂移.同时, 器件整体温度有所降低, 但器件各指温度分布均匀性较差.考虑多指HBT各发射极指散热能力存在差异, 在器件纵向结构设计为基区Ge组分阶梯分布的同时, 对其横向版图进行发射极指间距渐变结构设计, 用于改善器件各指温度分布的均匀性, 进而提高HBT的热稳定性.结果表明, 与基区Ge组分为均匀分布的等发射极指间距结构HBT相比, 新器件各指温度分布均匀性明显改善, f_T保持了较高的值, 且β和f_T 随温度变化不敏感, 热不稳定性得到显著改善, 显示了新器件在宽温区大电流下工作的优越性. 关键词： SiGe 异质结双极晶体管 Ge组分分布 发射极指间距渐变技术 热稳定性     

重掺B对应变SiGe材料能带结构的影响

硅锗异质结双极晶体管(SiGe HBT)一般以重掺硼(B)的应变SiGe层作为基区.精确表征SiGe材料能带结构对SiGe HBT的设计具有重要的意义.在应变SiGe材料中，B的重掺杂一方面会因为重掺杂效应使带隙收缩，另一方面，B的引入还会部分补偿Ge引起的应变，从而改变应变引起的带隙变化.在重掺B的应变SiGe能带结构研究中，采用半经验方法，考虑了B的应变补偿作用对能带的影响，对Jain-Roulston模型进行修正，并分析了重掺杂引起的带隙收缩在导带和价带的分布.     

含有本征SiGe层的SiGe异质结双极晶体管集电结耗尽层宽度模型

本文分别建立了含有本征SiGe层的SiGe HBT(异质结双极晶体管)集电结耗尽层各区域的电势、电场分布模型,并在此基础上,建立了集电结耗尽层宽度和延迟时间模型,对该模型进行了模拟仿真,定量地分析了SiGe HBT物理、电学参数对集电结耗尽层宽度和延迟时间的影响,随着基区掺杂浓度和集电结反偏电压的提高,集电结耗尽层延迟时间也随之增大,而随着集电区掺杂浓度的提高和基区Ge组分增加,集电结耗尽层延迟时间随之减小. 关键词： SiGe HBT 集电结耗尽层 延迟时间     

基区Ge组分分布对SiGe HBTs热学特性的影响

基区Ge组分的加入可以改善SiGe HBT的直流特性、 频率特性和噪声特性, 但Ge组分及其分布对HBT热学特性的影响报道还很少. 本文利用SILVACO半导体器件仿真工具, 建立了多指SiGe HBT模型, 对基区具有不同Ge组分梯度结构的SiGe HBTs的热学特性和电学特性的热稳定性进行了研究. 研究发现, 在Ge组分总量一定的条件下, 随着Ge组分梯度的增大, 器件的特征频率明显提高, 增益β和特征频率f_T随温度变化变弱, 器件温度分布的均匀性变好, 但增益变小; 而基区均匀Ge组分(Ge组分梯度为零) 的HBT的增益较大, 但随温度的变化较大, 器件温度分布的均匀性也较差. 在此基础上, 将基区Ge组分均匀分布和Ge组分缓变分布相结合, 提出了兼顾器件热学特性、 增益特性和频率特性的新型基区Ge组分分布- 分段分布结构. 结果表明, 相比于基区Ge组分均匀分布的器件, 新器件温度明显降低; β和f_T保持了较高的值, 且随温度的变化也较小, 显示了新结构器件的优越性. 这些结果对HBT的热学设计具有重要的参考意义, 是对SiGe HBT性能研究的一个补充.     

SiGe HBT势垒电容模型

在考虑SiGe HBT的势垒电容时，通常的耗尽层近似不再适用，应考虑可动载流子的影响.在分析研究SiGe HBT载流子输运的基础上，建立了考虑发射结势垒区内载流子分布的发射结势垒电容模型和不同电流密度下包括基区扩展效应的集电结势垒电容模型.将以上势垒电容 模型应用于SiGe HBT频率特性模拟，模拟结果与实验结果符合得很好. 关键词： SiGe HBT 势垒电容 微分电容     

三维数值仿真研究锗硅异质结双极晶体管总剂量效应

为探索锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)总剂量效应的损伤机理,采用半导体器件三维模拟工具(TCAD),建立电离辐照总剂量效应损伤模型,分析比较电离辐射在SiGe HBT不同氧化层结构的不同位置引入陷阱电荷缺陷后,器件正向Gummel特性和反向Gummel特性的退化特征,获得SiGe HBT总剂量效应损伤规律,并与⁶⁰Coγ辐照实验进行对比.结果表明:总剂量辐照在SiGe HBT器件中引入的氧化物陷阱正电荷主要在pn结附近的Si/SiO₂界面处产生影响,引起pn结耗尽区的变化,带来载流子复合增加,最终导致基极电流增大、增益下降;其中EB Spacer氧化层中产生的陷阱电荷主要影响正向Gummel特性,而LOCOS隔离氧化层中的陷阱电荷则是造成反向Gummel特性退化的主要因素.通过数值模拟分析获得的SiGe HBT总剂量效应损伤规律与不同偏置下⁶⁰Coγ辐照实验的结论符合得较好.     

SiGe HBT大信号等效电路模型

基于SiGe HBT(异质结双极晶体管)的物理模型，建立了描述SiGe HBT的大信号等效电路模型.该等效电路模型考虑了准饱和效应和自热效应等，模型分为本征和非本征两部分，物理意义清晰，拓扑结构相对简单.该模型嵌入了PSPICE软件的DEVEO(器件方程开发包)中.在PSPICE软件资源的支持下，利用该模型对SiGe HBT器件进行了交直流特性模拟分析，模拟结果与理论分析结果相一致，并且与文献报道的结果符合较好. 关键词： SiGe HBT 等效电路模型 PSPICE     

SiGe HBT集电结耗尽层渡越时间模型

集电结耗尽层的渡越时间是影响晶体管交流放大系数和频率特性的重要参数。本文分三种情况求解了SiGe HBT集电结耗尽层宽度。建立了不同集电极电流密度下的集电结耗尽层渡越时间模型，该模型考虑了基区扩展效应。利用MATLAB对该模型进行了模拟，定量地研究了集电结反偏电压、集电区掺杂磷或砷的浓度、集电区宽度对集电结耗尽层渡越时间的影响。模拟结果表明：随着集电结反偏电压、集电区掺杂浓度以及集电区宽度的增大，集电结耗尽层渡越时间增大；集电结耗尽层渡越时间对薄基区的SiGe HBT频率特性影响显著，不能忽略。     

锗硅异质结晶体管单粒子效应激光微束模拟

对国产锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)进行了单粒子效应激光微束辐照试验,观测SiGe HBT单粒子效应的敏感区域,测试不同外加电压和不同激光能量下SiGe HBT集电极瞬变电流和电荷收集情况,并结合器件结构对试验结果进行分析。试验结果表明:国产SiGe HBT位于集电极/衬底结内的区域对单粒子效应敏感,波长为1064 nm的激光在能量约为1.5 nJ时诱发SiGe HBT单粒子效应,引起电流瞬变。入射激光能量增强,电流脉冲增大,电荷收集量增加;外加电压增大,电流脉冲的波峰增大;SiGe HBT的单粒子效应与外加电压大小和入射激光能量都相关,电压主要影响瞬变电流的峰值,而电荷收集量主要依赖于入射激光能量。     

SOI SiGe HBT电学性能研究

研究了SOI衬底上SiGe npn异质结晶体管的设计优化.给出了器件基本直流交流特性曲线,分析了与常规SiGeHBT的不同.由于SOI衬底的引入使SOI SiGe HBT成为四端器件,重点研究了衬底偏压对Gummel曲线、输出特性曲线以及雪崩电流的影响.最后仿真实现材料物理参数和几何物理参数对频率特性的改变.结果表明SOI SiGeHBT与常规器件相比具有更大的设计自由度.SOI SiGe HBT的系统分析为毫米波SOI SiGe BiCMOS电路的设计提供了有价值的参考.     

Optical properties of Stranski–Krastanov grown three-dimensional Si/Si1−xGex nanostructures

Detailed Raman and photoluminescence (PL) measurements are reported for Si/Si_1−xGe_x nanostructures grown by molecular beam epitaxy under near Stranski–Krastanov (S–K) growth mode conditions. In samples with x ranging from 0.096 to 0.53, we observe that an increase in the Raman signal related to Ge–Ge vibrations correlates with (i) a red shift in the PL peak position, (ii) an increase in the activation energy of PL thermal quenching, and (iii) an increase in the PL quantum efficiency. The results indicate that for x>0.5 Ge atoms form nanometer size clusters with a nearly pure Ge core surrounded by a SiGe shell. Time-resolved PL measurements reveal a stretched-exponential long-lived PL component that is associated with compositional and dimensional fluctuations in the SiGe dots.     

循环氧化/退火制备GeOI薄膜材料及其性质研究

采用超高真空化学气相淀积系统在SOI(绝缘体上硅)衬底上生长了Si_0.82Ge_0.18外延层,通过循环氧化/退火工艺,制备出Ge组分从0.24到1的绝缘体上锗硅(SGOI)材料.采用高分辨透射电镜、拉曼散射光谱和光致发光谱表征了其结构及光学性质,对氧化过程中SiGe层中的Ge组分和应变的演变进行了分析.最后制备出11 nm厚的绝缘体上Ge材料(GeOI),具有完整的晶格结构和平整的界面.室温下观测到绝缘体上Ge直接带跃迁光致发光,发光峰值位于1540 nm,发光 关键词： GeOI 氧化 退火 光致发光谱     

Three-dimensional simulation of fabrication process-dependent effects on single event effects of SiGe heterojunction bipolar transistor

The fabrication process dependent effects on single event effects(SEEs) are investigated in a commercial silicon–germanium heterojunction bipolar transistor(SiGe HBT) using three-dimensional(3D) TCAD simulations. The influences of device structure and doping concentration on SEEs are discussed via analysis of current transient and charge collection induced by ions strike. The results show that the SEEs representation of current transient is different from representation of the charge collection for the same process parameters. To be specific, the area of C/S junction is the key parameter that affects charge collection of SEE. Both current transient and charge collection are dependent on the doping of collector and substrate. The base doping slightly influences transient currents of base, emitter, and collector terminals. However, the SEEs of SiGe HBT are hardly affected by the doping of epitaxial base and the content of Ge.     

Si1−xGex/Si multi-quantum well phototransistor for near-infrared operation

For the first time in the literature, we report the monolithic integration of SiGe near-infrared phototransistor and planar hetero-junction bipolar transistor (HBT). The phototransistor is made with SiGe/Si multi-quantum well structure (MQW_PHT). At room temperature, the MQW_PHT reveals an optical responsivity of 1904 mW/A at 0.85 μm and 1.25 mW/A at 1.3 μm under the reversed bias of V_CE=1.5 V. For electrical DC and microwave performance, the SiGe HBT has a current gain of 160 and a cut-off frequency (f_T) of 25 GHz, respectively.     

Violet luminescence in Ge nanocrystals/Ge oxide structures formed by dry oxidation of polycrystalline SiGe

Nanocrystals of Ge surrounded by a germanium oxide matrix have been formed by dry thermal oxidation of polycrystalline SiGe layers. Violet (3.16 eV) luminescence emission is observed when Ge nanocrystals, formed by the oxidation of the Ge segregated during the oxidation of the SiGe layer, are present, and vanishes when all the Ge has been oxidized forming GeO₂. Based on the evolution of the luminescence intensity and the structure of the oxidized layer with the oxidation time, the recombination of excitons inside the nanocrystals and the presence of defects in the bulk oxide matrix are ruled out as sources of the luminescence. The luminescence is attributed to recombination in defects at the Ge sub-oxide interface between the Ge nanocrystals and the surrounding oxide matrix, which is GeO₂.     

Strain relaxation of epitaxial SiGe layer and Ge diffusion during Ni silicidation on cap-Si/SiGe/Si(0 0 1)

Strain relaxation of the epitaxial SiGe layer and Ge diffusion during nickel silicidation by rapid thermal annealing the structure of Ni(≅14 nm)/cap-Si(≅26 nm)/Si_0.83Ge_0.17/Si(0 0 1) at the elevated annealing temperatures, T_A, were investigated by X-ray diffraction analyses of high-resolution ω-2θ scan and reciprocal space mapping. The analyses showed a much larger strain relaxation at a lower T_A and a reduction in Ge content in the SiGe layer of Ni/SiGe/Si(0 0 1) after thermal annealing compared to the case of cap-Si/SiGe/Si(0 0 1). The results indicate that the strain relaxation of the SiGe layers in NiSi/SiGe/Si(0 0 1) is related to the phenomena of NiSi agglomeration and penetration into the SiGe layer during silicidation at elevated anneal temperatures ≥750 °C. At elevated T_A ≥ 750 °C, Ge diffused into the intact cap-Si area during silicidation.     

Ge组分分布对基区杂质非均匀分布的SiGe HBT温度特性的影响

众所周知, 双极型晶体管的设计主要是基区的设计. 一般而言, 基区的杂质分布是非均匀的. 本文首先研究了非均匀的杂质高斯分布对器件温度分布、增益和截止频率的温度特性的影响, 发现增益和截止频率具有正温度系数, 体内温度较高. 随后研究了基区Ge组分分布对这些器件参数的影响. 均匀Ge组分分布和梯形Ge组分分布的SiGe 异质结双极型晶体管增益和截止频率具有负温度系数, 具有较好的体内温度分布. 进一步的研究表明, 具有梯形Ge组分分布的SiGe 异质结双极型晶体管, 由于Ge组分缓变引入了少子加速电场, 不但使它的增益和截止频率具有较高的值, 而且保持了较弱的温度敏感性, 在增益、特征频率大小及其温度敏感性、体内温度分布达到了很好的折中.     

The use of amorphous and microcrystalline silicon for silicon heterojunction bipolar transistors

The modification of the emitter structure of silicon bipolar transistors results in more freedom in the choice between sometimes conflicting device parameters. The approach followed in this work is the use of an amorphous silicon (a-Si:H) or microcrystalline silicon (c-Si) emitter, creating a real heterojunction with the crystalline silicon base. Due to the larger bandgap of these emitter materials, the back injection of minority carriers is strongly suppressed in comparison with conventional bipolar transistors. Furthermore, the small temperature coefficient of the current gain allows the use of these heterojunction bipolar transistors (HBT) over a wide temperature range. Most likely, the biggest advantage of such HBTs is that a better high-frequency behaviour could be obtained. However, some problems still need to be solved such as the recombination at the emitter-base interface and the high resistivity of the emitter material.On leave from University of Florida, Gainesville, Florida, USA