CN103441141B - 超宽温区高热稳定性微波功率SiGe异质结双极晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异质结双极晶体管，尤其是超宽温区高热稳定性微波功率SiGe异质结双极晶体管。所述晶体管采用基区Ge组分由发射结侧向集电结侧逐渐递增的阶梯形分布结构，使器件电流增益随温度变化趋势变缓，可在宽温区内防止器件静态工作点的漂移。同时，所述晶体管还可同时提高器件的特征频率及其随温度变化的敏感性。此外，所述晶体管还采用各个发射极指的指间距由器件两侧向中心处指数增大的非均等指间距对称结构，可有效阻止外侧发射极指热量向中心处的流入，达到削减各发射极指间的热耦合效应、改善器件有源区温度分布的均匀性，进而提高功率晶体管热稳定性的目的。

Description

超宽温区高热稳定性微波功率SiGe异质结双极晶体管

技术领域

本发明涉及硅锗（SiGe）异质结双极晶体管，特别是用于卫星系统、光纤通信系统以及winmax等射频和微波领域的超宽温区高热稳定性SiGe异质结双极晶体管。

背景技术

与Si同质结双极晶体管（bipolar junction transistor，BJT）相比，SiGe异质结双极晶体管（heterojunction bipolar transistor，HBT）在具有高电流处理能力、大电流增益和高厄利电压的同时，还具有优异的高频特性，现已被广泛应用于移动电话系统、蓝牙、卫星定位系统、汽车雷达等领域中。特别地，随着光纤通讯、卫星通讯和winmax技术的飞速发展，功率SiGe HBT将在上述射频和微波领域中扮演越来越重要的角色。

功率SiGe HBT通常采用多个发射极指并联结构来提高电流处理能力和散热能力。图1（a）示出了常规多发射极指结构SiGe HBT的几何结构，其中包括发射极（1）和基极（2），且相邻的发射极指之间具有相同的指间距值。然而由器件本身耗散功率引起的自加热效应以及各发射极指间的热耦合效应将导致器件各发射极指上温度分布不均匀，中心发射极指的温度较外部发射极指的高，又由于发射极电流具有正温度系数，中心发射极指将传导更多的电流，从而产生更多的热，如此反复，最终导致器件各发射极指上温度分布变得极其不均匀。

同时，图1（b）示出了常规SiGe HBT从发射结侧到集电结侧的基区Ge组分分布情况，其中整个基区内具有恒定的Ge组分含量。由于“能带工程”（基区加入Ge组分）的引入，使基区禁带宽度小于发射区禁带宽度，即在发射结价带处产生了能带断续，与BJT相比，将减小反向注入的基极电流（I_pb），从而提高注入效率，进而增大器件的电流增益。然而对于具有恒定基区Ge组分含量的常规SiGe HBT，其I_pb具有较大的正温度系数，当器件的工作温度升高时，I_pb将显著增大，使得电流增益具有负温度系数。进一步考虑由自热和热耦合效应引起的各发射极指上温度分布极其不均匀的情况，会出现电流增 益“倒塌”现象，退化器件的工作特性（如功率增益、特征频率等），引起器件和电路特性漂移，使SiGe HBT处于热不稳定状态，严重限制了器件的高功率热稳定性工作。

可见，设计一种即可有效改善各发射极指温度分布非均匀性，也可有效削弱电流增益负温度系数，避免电流增益“倒塌”现象，最终实现宽温区内高热稳定工作的功率SiGeHBT具有重要的理论和实际意义。

发明内容

本发明公开了一种超宽温区高热稳定性的功率SiGe异质结双极晶体管。

本发明的一种超宽温区高热稳定性功率SiGe异质结双极晶体管，其特征在于：同时具有基区Ge组分从发射结侧向集电结侧呈阶梯形分布和发射极指间距由器件两侧向中心处呈指数增大的对称指间距结构。

所述晶体管的基区Ge组分分布按照从靠近发射结端开始，沿基区宽度（W_b）方向先在一定区域内线性递增，随后在一定区域内保持不变，再在一定区域内线性递增，最后在一定区域内保持不变的形式分布。

图2（a）示例了本发明的基区Ge组分阶梯分布。其中，W_b为基区宽度，x₁、x₂、x₃为离发射结端的距离，y₁、y₃分别为基区靠近发射结侧和基区靠近集电结侧的Ge组分含量，y₂为基区中x₂-x₁区域内对应的Ge组分含量。

对于上述的基区Ge组分阶梯形分布结构，其基区不同位置处Ge含量的表达式为

$y=\left\{\begin{array}{cc}\frac{y_2-y_1}{x_1}(x-x_1)+y_1& 0<x<x_1\\ y_2& x_1<x{<x}_2\\ \frac{y_3-y_2}{x_2-x_1}(x-x_2)+y_2& x_2<x{<x}_3\\ y_3& x_3<x<W_b\end{array}\right.---\left(1\right)$

所述晶体管的各发射极指间距按照由器件两侧向中心处呈指数增大的对称形式分布。

所述晶体管采用多发射极指梳状结构，并采用基区Ge组分阶梯分布形式，由于在相同Ge组分含量的情况下，所述晶体管中发射结侧价带不连续性能量差（ΔE_V）小于常规的恒定Ge组分分布结构器件中的ΔE_V，I_pb的正温度系数也相应减小，从而使电流增益随工作温度变化趋势变缓，有利于避免 器件特性漂移的产生，保证器件热稳定工作。同时，在所述晶体管基区的两个Ge组分线性递增区域内会形成少子加速电场，有效减小基区渡越时间，进而提高了器件的特征频率。此外，考虑到中心区域各发射极指受到来自两个方向热流的影响，而外侧发射极指只受到来自一个方向热流的影响，中心区域各发射极指散热能力将较外侧发射极指弱，各发射极指温度分布将变得不均匀。本发明采用发射极指间距由器件两侧向中心处呈指数增大的对称指间距结构来有效阻止两侧发射极指上热流向中心发射极指的流入，从而改善各发射极指上温度分布的均匀性，实现削弱指间热耦合效应，有效提高功率晶体管热稳定性的目的。

与常规的基区Ge组分含量恒定的均等发射极指间距结构的功率晶体管相比，所述晶体管各指温度分布更加均匀，电流增益随温度变化的敏感性显著降低，器件静态工作点不随温度的变化而发生漂移，可在较宽温度范围内实现热稳定工作，且具有改善的特征频率及其随温度变化的敏感性。

附图说明

结合附图所进行的下列描述，可进一步理解本发明的目的和优点。在这些附图中：

图1（a）示例了常规多发射极指结构SiGe异质结双极晶体管几何结构平面图；

图1（b）示例了常规SiGe异质结双极晶体管的基区Ge组分分布图；

图2（a）示例了本发明实施例的基区Ge组分分布图；

图2（b）示例了本发明实施例的几何结构平面图；

图3示例了本发明实施例的纵向剖面示意图；

图4示例了本发明实施例的工艺流程图；

图5示例了本发明实施例对功率器件各发射极指上温度分布的改善；

图6示例了本发明实施例对功率器件电流增益随温度变化关系的改善；

图7示例了本发明实施例对功率器件特征频率及其随温度变化关系的改善。

具体实施方式

如上所述，功率SiGe HBT通常采用多发射极指结构来改善电流处理能力和散热能力。本发明实施例以8指功率SiGe HBT为例，对本发明内容进行具体表述。本发明涉及领域并不限制于此。

实施示例：

考虑到SiGe HBT电流增益及其温度系数主要由基区靠近发射结侧Ge组分含量决定，而基区Ge组分从发射结侧向集电结侧线性递增可引入少子加速电场提高器件特征频率，在保证基区Ge组分总量一定的情况下，兼顾电学特性及高频特性，本发明实施例的功率SiGe HBT的基区Ge组分分布采用阶梯分布形式。图2（a）为本发明实施例的功率SiGe HBT基区Ge组分阶梯分布示意图，图中y₁和y₃分别为基区靠近发射结侧和基区靠近集电结侧的Ge组分的含量，y₂为基区中x₂-x₁区域内对应的Ge组分含量。

本发明实施例的功率SiGe HBT的电流增益（β_SiGe）的计算公式可通过与Si BJT晶体管的电流增益（β_Si）之比得出，而两者电流增益之比主要由两种器件的电流密度之比决定。对于Si BJT晶体管，其电流密度（J_c(Si)）的表达式为

$J_{c\left(\mathrm{Si}\right)}=\frac{q{D}_{\mathrm{nb}\left(\mathrm{Si}\right)}{n}_{i0}^2{e}^{\mathrm{\&Delta;}{E}_{\mathrm{gb}}^{\mathrm{app}}/k}(e^{V_{\mathrm{BE}}/\mathrm{kT}}-1)}{N_b{W}_b}---\left(2\right)$

其中q为电子电荷，q=1.6×10¹⁹C；k为波尔兹曼常数，k=1.3806505×10^-23J/K；T为器件工作温度；为靠近发射结处的有效本征载流子浓度；为器件基区重掺杂禁带变窄量，与基区掺杂浓度有关；D_nb(Si)为Si BJT中基区电子扩散系数；N_b为基区杂质掺杂浓度。

对于本发明实施例的功率SiGe HBT，其电流密度（J_c(SiGe)）的表达式为

$J_{c\left(\mathrm{SiGe}\right)}=\frac{q{D}_{\mathrm{nb}\left(\mathrm{SiGe}\right)}\mathrm{\&gamma;}{n}_{i0}^2{e}^{\mathrm{\&Delta;}{E}_{\mathrm{gb}}^{\mathrm{app}}/k}{e}^{c{y}_3/\mathrm{kT}}}{N_b[(x_2-x_1)e^a+(W_b-x_3)-\frac{x_1}{a}{e}^{2a}(e^{-a}-1)-\frac{x_3-x_2}{a}{e}^a(e^{\frac{-x_3}{x_3-x_2}a}-e^{\frac{-x_2}{x_3-x_2}a})]}---\left(3\right)$

其中，c=688meV， $a=\frac{c(y_2-y_1)}{\mathrm{kT}}=\frac{c(y_3-y_2)}{\mathrm{kT}},$ $\mathrm{\&gamma;}=\frac{{\left(N_c{N}_v\right)}_{\mathrm{SiGe}}}{{\left(N_c{N}_v\right)}_{\mathrm{Si}}},$ D_nb(SiGe)为SiGe HBT基区电子扩散系数，N_c、N_v分别为导带和价带的有效态密度。

由于本发明实施例的功率SiGe HBT与Si BJT的电流增益之比可表示为

$\frac{{\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{SiGe}}}{{\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{Si}}}=\frac{J_{c\left(\mathrm{SiGe}\right)}}{J_{c\left(\mathrm{Si}\right)}}---\left(4\right)$

将（2）式和（3）式代入（4）式中，可以得出本发明实施例的功率SiGe HBT的β_SiGe表达式：

${\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{SiGe}}=\frac{{\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{Si}}\mathrm{\&eta;\&gamma;}{e}^{c{y}_3/\mathrm{kT}}}{\frac{W_b-x_3}{W_b}+\frac{x_2-x_3}{W_b}{e}^a-\frac{x_1}{W_b}{e}^{2a}\frac{1}{a}(e^{-a}-1)-\frac{x_3-x_2}{W_b}\frac{1}{a}{e}^a(e^{\frac{-x_3}{x_3-x_2}a}-e^{\frac{-x_2}{x_3-x_2}a})}---\left(5\right)$

其中本发明实施例中β_Si的值选取为30；y₁=0.08，y₂=0.16，y₃=0.24；η=2.8；γ=0.2。

利用上述β_SiGe表达式便可得到器件在不同工作温度的电流增益，不难得出电流增益具有负温度系数，又由于本发明采用从发射结侧向集电结侧呈阶梯形的基区Ge组分分布形式，使得电流增益随工作温度变化趋势变缓，这有利于器件在较宽温度范围内工作特性不漂移，保证器件热稳定工作。此外，本发明实施例的功率SiGe HBT基区的两个Ge组分线性递增区域引入少子加速电场，从而提高了器件的特征频率。

同时，对本发明实施例的发射极指间距值进行了优化设计，从而进一步改善各发射极指上温度分布的均匀性，提高器件的热稳定性。指间距包括X₁，X₂，X₃，X₄，X₅，X₆，X₇，如图2（b）中（21）所示。对于实施示例而言，共有7个发射极指间距值，考虑对称性，只需设计4个指间距值即可。更精确地，实施示例的非均等发射极指间距结构按照如下公式进行设计，

$X_n=11.25+1.03\&times;\exp \left(\frac{n}{1.98}\right)n=\mathrm{1,2,3,4}---\left(6\right)$

此时，各发射极指间距值呈由器件两侧向中心指数增大的对称形式分布，相应的几何结构平面图如图2（b）所示。实施示例和常规HBT的各个发射极指间距值如表1所示。

表1发射极指间距分布表（单位：μm）

在此基础上，以本发明实施示例为例，给出了SiGe HBT的纵向剖面示意图，如图3所示，其中包括n⁺掺杂的硅(Si)衬底(31)，其掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，厚度为520μm；n^-掺杂的Si集电区(32)，其掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3，厚度为3.48μm；本征Si缓冲层（33），其厚度为5nm；P⁺掺杂的硅锗(SiGe)基区(38)，包括均匀SiGe层1（34），厚度为0.01μm，线性渐变SiGe层2（35），厚度为0.01μm，均匀SiGe层3（36），厚度为0.01μm，线性渐变SiGe层4（37），厚度为0.01μm，整个基区掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3，平均锗组份x为0.18；P⁺掺杂的硅锗/硅(SiGe/Si)外基区(42)，其掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，厚度为0.05μm；n掺杂的Si发射区(39)，其掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，厚度为0.012μm；多晶硅(poly Si)层(41)，其掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，厚度为0.2μm；二氧化硅(SiO₂)层(40、43、44和45)，厚度分别为0.1μm、0.3μm、0.3μm和0.4μm，以及金属(Metal)引线(46和47)，厚度均为1μm。

图4(a)-(l)示例了基于SiGe HBT的典型双台面工艺过程，该工艺可用于制作本发明实施例的宽温区高热稳定性功率SiGe HBT。图4中，与图3相同的标号表示相同或相当的部分。

在实施示例中的器件衬底(31)的制备及集电区(32)的外延生长完成后，按照如下工艺进行器件制备：

步骤1，如图4(a)所示，采用超高真空化学气相淀积（UHV/CVD）外延设备在670℃，100Torr的条件下，由SiH₄分解反应生成Si缓冲层(33)；

步骤2，如图4(b)所示，采用超高真空化学气相淀积（UHV/CVD）外延设备在670℃，100Torr的条件下，由SiH₄与GeH₄混合反应生成Ge含量为24%的稳定的SiGe层1（34）；

步骤3，如图4(c)所示，采用超高真空化学气相淀积（UHV/CVD）外延设备在670℃，100Torr的条件下，由SiH₄与GeH₄混合反应生成SiGe，GeH₄流量由平缓SiGe所需的GeH₄流量线性均匀降低到16%锗含量SiGe时所需的GeH₄流量，由此生成Ge渐变的SiGe层2（35）；

步骤4，如图4(d)所示，采用超高真空化学气相淀积（UHV/CVD）外延设备在670℃，100Torr的条件下，由SiH₄与GeH₄混合反应生成SiGe，GeH₄流量为生成16%锗含量SiGe所需的GeH₄流量，由此生成Ge含量16%的稳定的SiGe层3（36）；

步骤5，如图4(e)所示，采用超高真空化学气相淀积（UHV/CVD）外延设备在670℃，100Torr的条件下，由SiH₄与GeH₄混合反应生成SiGe，GeH₄ 流量为生成16%锗含量SiGe所需的GeH₄流量线性均匀降低到8%锗含量SiGe时所需的GeH₄流量，由此淀积生成Ge渐变的SiGe层4（37），此时整个SiGe基区（38）生长完成；

步骤6，如图4(f)所示，采用超高真空化学气相淀积（UHV/CVD）外延设备在670℃，100Torr的条件下，由SiH₄进行分解反应生成Si盖帽层（cap层），即为发射区(39)；

步骤7，如图4(g)所示，采用低压化学气相淀积法(LPCVD)在Si发射区(39)上淀积0.1μm的SiO₂，形成SiO₂层(40)，利用光刻和干湿法结合的方法，去除Si发射区(39)上方中心区域的部分SiO₂层，暴露出相应的部分Si发射区(39)；

步骤8，如图4(h)所示，采用LPCVD在SiO₂层(40)和暴露的部分Si发射区(39)上淀积200nm的ploy Si，形成ploy Si层(41)，并在ploy Si层(41)上大面积注入磷离子做发射极接触，其中磷离子的注入能量为70keV，浓度为1×10¹⁶cm^-2，此时形成的poly Si层方块电阻为10Ω/□，利用光刻和干法腐蚀的方法刻蚀除发射区上方中心区域以外的SiO₂层和ploy Si层，暴露出相应的Si发射区；

步骤9，如图4(i)所示，采用离子注入的方法在暴露出的Si发射区上注入硼离子(B⁺)，其中二氟化硼离子(BF₂ ⁺)的注入能量为25keV，浓度为1×10¹⁵cm^-2，B⁺注入能量为30keV，浓度为1×10¹⁵cm^-2，并采用光刻和干湿结合的方法刻蚀得到外基区(42)；

步骤10，如图4(j)所示，采用LPCVD的方法大面积淀积SiO₂，形成0.3μm厚的SiO₂层(43)，并采用光刻和干法腐蚀的方法去除外基区(42)上方中心区域的SiO₂层和ploy Si层(41)上方的SiO₂层，此时在外基区(42)上方靠近ploy Si层(41)的边缘处形成SiO₂侧墙(44)；

步骤11，如图4(k)所示，采用LPCVD的方法大面积淀积SiO₂，形成0.2μm厚的SiO₂层(45)，并采用光刻和干湿结合的方法刻蚀外基区(42)上方中心处和ploy Si层(41)上方中心处的SiO₂层，形成发射极接触孔和基极接触孔；

步骤12，如图4(l)所示，大面积溅射金属铝(Al)，形成1μm厚的金属层，光刻除发射极接触孔和基极接触孔上方的金属层，形成发射极Metal引线(46)和基极Metal引线(47)；

步骤13，采用LPCVD的方法大面积淀积0.2μm厚的SiO₂和0.75μm厚的氮化硅(Si₃N₄)，并采用反应离子刻蚀(RIE)的方法刻蚀压焊点处的SiO₂和Si₃N₄，减薄衬底至150μm，背面蒸金，划片，烧结，压Al丝及封帽，从而完成本发明的实施例的制备。

进一步地，基于上述工艺流程，采用商用半导体仿真工具Silvaco TCAD分别对本发明实施例和常规SiGe HBT进行了器件建模及工艺仿真，并提取了相关热学特性、电学特性和高频特性。

图5示例了本发明实施例沿各发射极指中心线上的温度分布，并与常规的基区Ge组分含量恒定的均等发射极指间距结构的功率晶体管在相同的工作条件（I_b=50μA，V_ce=6V）下进行比较。可以看出，与常规SiGe HBT相比，本发明实施例的峰值温度降低28.66K，各指温度分布均匀性改善达49.9%。

图6示例了本发明实施例的电流增益随温度变化的关系，并与常规的基区Ge组分含量恒定的均等发射极指间距结构的功率晶体管进行比较。可以看出，当温度从300K升高为440K时，常规SiGe HBT的电流增益减小量为85.48，而本发明实施例的电流增益减小量仅为40.33。与常规SiGe HBT相比，本发明实施例电流增益温度系数改善了52.82%，从而有效避免了器件静态工作点的漂移，有利于器件在较宽温度范围内热稳定工作。

图7示例了本发明实施例的特征频率随温度变化的关系，并与常规的基区Ge组分含量恒定的均等发射极指间距结构的功率晶体管进行比较。可以看出，与常规SiGe HBT相比，本发明实施例的特征频率(f_T)提高了33.66%，并且其特征频率随温度变化的趋势变缓。当温度在320K～440K范围内变化时，与常规SiGe HBT相比，本发明实施例的特征频率随温度变化的敏感性改善达43.08%。上述结果均显示了本发明实施例的优越性，本发明对设计和制造高性能、高热稳定性的功率SiGe HBT具有重要的指导意义。

Claims (2)

1.一种超宽温区高热稳定性微波功率SiGe异质结双极晶体管，其特征在于：同时具有基区Ge组分由发射结侧向集电结侧呈递增的阶梯形分布结构和发射极指间距由器件两侧向中心处逐渐增大的对称指间距结构；所述的阶梯形基区Ge组分分布Ge含量的表达式为

$y=\left\{\begin{array}{cc}\frac{y_2-y_1}{x_1}(x-x_1)+y_1& 0<x{<x}_1\\ y_2& x_1<x{<x}_2\\ \frac{y_3-y_2}{x_2-x_1}(x-x_2)+y_2& x_2<x{<x}_3\\ y_3& x_3<x{<W}_b\end{array}\right.$

其中，W_b为基区宽度，x₁、x₂、x₃为离发射结端的距离，y₁、y₃分别为基区靠近发射结侧和基区靠近集电结侧的Ge组分含量，y₂为基区中x₂-x₁区域内对应的Ge组分含量。

2.根据权利要求1所述的一种超宽温区高热稳定性微波功率SiGe异质结双极晶体管，其特征在于：所述晶体管的各发射极指间距按照由器件两侧向中心处呈指数增大的对称形式分布。