CN111933707B - 一种低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异质结双极晶体管HBT及包括HBT的低噪声放大器，所述HBT包括：从下到上依次分布的衬底、介质层、发射极主体、基极主体、集电极主体；所述发射极主体和所述集电极主体为以MoS2为代表的n型二维过渡金属硫化物，所述基极主体为p型单层石墨烯Gr；还包括：发射极电极、基极电极、集电极电极；其中，所述发射极电极和所述基极主体在所述发射极主体上，且二者互不接触；所述基极电极和所述集电极主体在所述基极主体上，且二者互不接触；所述集电极电极在所述集电极主体上。本发明中HBT器件部分采用二维材料，减小渡越时间；具有肖特基势垒拥有更小的正向压降和更快的恢复速度；无源器件部分采用共面波导结构，可避免打孔，简化了工艺。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种低噪声放大器。
背景技术
随着工艺线宽进入几十纳米的原子量级，反映硅工艺发展规律的摩尔定律最终将不断趋于饱和，同时也预示着需要提出有效方案来应对摩尔定律可能失效的未来。随着科技发展。因此国际半导体技术发展蓝图(ITRS)提出了“More Moore”和“More than Moore”两个主要发展方向。
新材料的开发和应用转化能有效促进“More Moore”和“More than Moore”发展。在过去的十年中，二维材料因其具有优异的电学、热学和力学性能而在各个领域得到了广泛的研究。此外，基于二维材料的异质结构因为具有较弱的层间键合、量子效应和隧道效应而受到关注，这些特性与传统的三维材料的不同。选择二维材料可以实现特定的电学和光学特性，因为每种材料都有不同的能带隙、电子亲和能和载流子迁移率，从而允许对所需器件的设计进行微调，而不受晶格常数的限制，同时二维材料作为超薄的晶体材料，具有一定机械强度和弯曲性。因此综上所述，基于二维材料的异质结在柔性器件领域具有很大的应用潜力。
石墨烯作为首个被制备出来的二维材料，尽管具有零带隙的能带结构，使得基于石墨烯晶体管开关比较差；但由于石墨烯具有高达2×105cm2/Vs的本征迁移率，使其在射频器件应用中具有较高潜力。又因为石墨烯具有5000W/mK的热导率，因此在未来大规模集成电路中有较好的应用前景。在石墨烯之后，过渡金属硫化物(TMD)同为二维材料被广泛研究。二维TMD半导体材料在和石墨烯类似，具有原子级厚度、优异的电学特性、极高机械强表面积-体积比等性能。但由于其具有石墨烯没有的根据厚度可调节的带隙，拓宽了其在电子领域中的应用。
异质结构被广泛应用于半导体器件中，以利用带结构工程显著改善载流子约束和注入。这导致在光子和电子器件及其同结类似物上具有各种各样的器件性能优势，包括晶体管的更高增益或光子器件的更强的光输出。因此异质结已经被应用于多种半导体器件中，例如激光、太阳能电池、高电子迁移率晶体管和异质结双极晶体管(HBTs)。值得注意的是，双极结型晶体管(BJT)是通过连接两个P-N同质结二极管制作的三端晶体管。其中它的电流增益和高频能力之间存在权衡。HBTs因其高功率效率、阈值电压均匀性和低1/f噪声等特点，被广泛应用于大功率放大器和高频开关器件中。
在包括HBTs在内的异质结器件中实现高质量的异质界面是一个挑战，因为各种生长限制，包括减轻掺杂剂和晶格元素的扩散。被用在传统异质结基器件的五族化合物半导体例如GaN/AlGaN和GaAs/AlGaAs需要高的真空条件和高成本生长设备，例如金属有机气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)。当晶格常数相差太大时，这种生长方式很难实现。由晶格失配，交叉污染和界面散射引起位错缺陷是很难被克服，由此阻碍载流子输运并且增大噪声，不利于低噪声放大器的应用。此外传统HBT材料多为块状，增加了载流子的渡越时间，减低载流子迁移率；且用于放大器匹配的基于微带线结构的无源器件需要打孔工艺，增加了技术成本和难度。综上所述，这些缺陷在某种程度上完全损耗了基于异质结基器件功率放大器的优势。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种异质结双极晶体管HBT及包括HBT的低噪声放大器，其目的在于解决传统HBT材料为块状具有较长的渡越时间，以及基于HBT的低噪声放大器LNA的异质结界面存在大量缺陷，产生较大噪声，且无源器件制备成本高，工艺难的技术问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种异质结双极晶体管HBT，包括：从下到上依次分布的衬底、介质层、发射极主体、基极主体、集电极主体；所述发射极主体和所述集电极主体为n型二维过渡金属硫化物，所述基极主体为p型单层石墨烯Gr；
还包括：发射极电极、基极电极、集电极电极；
其中，所述发射极电极和所述基极主体在所述发射极主体上，且二者互不接触；所述基极电极和所述集电极主体在所述基极主体上，且二者互不接触；所述集电极电极在所述集电极主体上。
进一步地，所述发射极主体和所述集电极主体均为基于CVD法生长的n型双层MoS2。
进一步地，所述发射极电极、集电极电极为两层金属Ti和Au，所述基极电极为Au；
且所述发射极电极和所述发射极主体、所述集电极电极和所述集电极主体、所述基极电极和所述基极主体之间形成欧姆接触。
进一步地，所述衬底为聚酰亚胺柔性衬底Pi。
进一步地，所述介质层为非金属Si3N4，且所述非金属Si3N4是基于PECVD法生长的，用于加大所述聚酰亚胺柔性衬底Pi表面光滑度。
本发明另一方面提供了一种低噪声放大器，包括上述的异质结双极晶体管HBT，还包括：
直流偏压、信号源、输入匹配电路、输出匹配电路、负载；
所述输入匹配电路一端连接所述HBT的基极电极，另一端连接所述信号源；
所述输出匹配电路一端连接所述HBT的集电极电极，另一端连接所述负载；
所述输入匹配电路和输出匹配电路包括基于共面波导结构的平面螺旋电感和MIM电容，用于抑制射频信号的反射，降低功率损耗。
进一步地，所述输入匹配电路和输出匹配电路包括：
柔性聚酰亚胺衬底Pi；
非金属Si3N4，形成在所述柔性聚酰亚胺衬底Pi上；
基于共面波导结构的平面螺旋电感主体和MIM电容底层金属，二者在同一金属叠层，形成在所述非金属Si3N4上；
氧化铝介质层，形成在所述金属叠层上；
MIM电容顶层金属，形成在所述氧化铝介质层上；
空气介质层，在所述MIM电容顶层金属上；
空气桥支架，在所述金属叠层的平面螺旋电感上端搭建，且贯穿所述氧化铝介质层和所述空气介质层；
空气桥顶面，在所述空气桥支架上；
金属支架，位于所述MIM电容顶层金属和所述金属叠层中间，且贯穿所述氧化铝介质层；
空气介质层，在所述空气桥顶面上。
进一步地，所述平面螺旋电感包括：接地板，基于共面波导结构的平面螺旋电感主体，所述空气桥支架以及所述空气桥顶面；其中，所述接地板和所述金属叠层位于同一叠层。
进一步地，所述MIM电容包括：接地板，MIM电容底层金属，氧化铝介质层以及MIM电容顶层金属；其中，所述接地板和所述金属叠层位于同一叠层。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提供的HBT中用做基极主体的石墨烯是二维材料，具有原子层级别厚度，因此可减少基极渡越时间，增大载流子迁移率；同时，p型材料石墨烯和n型二维过渡金属硫化物之间形成了肖特基势垒，相对于p-n节势垒，肖特基势垒拥有更小的正向压降和更快的恢复速度。
(2)本发明中低噪声放大器包括基于共面波导无源器件和二维材料的HBT，由于二维材料基于化学气相沉积法生长，可批量且高效生产出层数可控的高质量材料；同时，二维材料没有悬挂键，可改善界面缺陷；此外，采用共面波导结构，可避免打孔，简化了工艺，又因为基于共面波导结构无源器件的色散低，尺寸小，因此更加适用于单片集成电路。
(3)本发明中低噪声放大器采用聚酰亚胺柔性衬底，因其绝缘性好，因此可在高频条件下降低衬底损耗，又因为其弯曲性较好，配合同样可弯曲的二维材料，二者组成的柔性HBT能实现弯曲可穿戴，促进了柔性射频领域发展。
(4)本发明中空气桥顶面下方的螺旋电感主体金属的线圈是中断的，为了留出空间让电极部分从的下方穿过；空气桥支架位于螺旋电感主体金属中断位置的边缘上，其另一端和空气桥顶面的边缘相连；空气桥支架的作用是支撑空气桥顶面，并将空气桥顶面与螺旋电感主体金属相连；接地板和螺旋电感主体处于同一平面。相比微带结构，可避免复杂的打孔操作。
附图说明
图1为本发明提供的一种异质结双极晶体管HBT的剖面示意图；
图2为本发明提供的一种低噪声放大器的结构示意图；
图3为本发明提供的利用ADS软件对HBT的匹配示意图；
图4为本发明提供的基于ADS软件设计并导出的输入输出匹配电路叠层结构示意图；
图5为本发明提供的基于共面波导结构的平面螺旋电感的具体结构示意图；
图6为为本发明提供的基于共面波导结构的MIM电容的具体结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，为本发明提供的一种异质结双极晶体管HBT的剖面示意图，包括：从下到上依次分布的衬底101、介质层102、发射极主体103、基极主体104、集电极主体107；所述发射极主体103和所述集电极主体107为n型二维过渡金属硫化物，所述基极主体104为p型单层石墨烯Gr；；还包括：发射极电极105、基极电极106、集电极电极108；
其中，所述发射极电极105和所述基极主体104在所述发射极主体103上，且二者互不接触；所述基极电极106和所述集电极主体107在所述基极主体104上，且二者互不接触；所述集电极电极108在所述集电极主体107上。
进一步地，所述衬底101为聚酰亚胺柔性衬底Pi，聚酰亚胺柔性衬底绝缘性和可弯曲性较好。
进一步地，所述介质层102为非金属Si3N4，且所述非金属Si3N4是基于PECVD法生长的，用于加大所述聚酰亚胺柔性衬底Pi表面光滑度。
进一步地，所述发射极主体103和所述集电极主体107均为基于CVD法生长的n型双层MoS2；二者功能可互换，即发射极可作为集电极，集电极也可作为发射极。
进一步地，所述p型单层石墨烯104是基于CVD法生长出的单层，具有原子层级别的石墨烯，并且通过掺杂处理为p型材料。
进一步地，所述发射极电极105、集电极电极108材料为两层金属Ti/Au，厚度为50/100nm，所述基极电极106材料为Au；且所述发射极电极105和所述发射极主体103、所述集电极电极108和所述集电极主体107、所述基极电极106和所述基极主体104之间形成欧姆接触。
需要指出的是，本发明中p型材料石墨烯和n型材料硫化钼之间形成肖特基势垒，相对于p-n节势垒，肖特基势垒结拥有更小的正向压降和更快的恢复速度，因此更适用于微波射频领域。
该异质结双极晶体管HBT的制备方法包括：分别用CVD法制备双层硫化钼和单层石墨烯，接下来通过湿法转移，将MoS2转移到有经过清洗和沉积Si3N4的聚酰亚胺柔性衬底，然后将单层石墨烯转移到MoS2上方，最后将MoS2转移并覆盖石墨烯，再通过电子束光刻工艺制备电极。至此，一个如图1所示垂直的n-MoS2/p-Gr/n-MoS2异质结HBT器件得以制备。
如图2所示，为本发明提供的一种低噪声放大器的结构示意图，包括：
异质结双极晶体管HBT201，输入匹配电路202、输出匹配电路203、直流偏压204、信号源205、负载206；
所述输入匹配电路202一端连接所述HBT201的基极电极，另一端连接所述信号源205；
所述输出匹配电路203一端连接所述HBT201的集电极电极，另一端连接所述负载206；
所述输入匹配电路202和输出匹配电路203用于抑制射频信号的反射，降低功率损耗。
如图3所示，为本发明提供的利用ADS软件对HBT的匹配示意图，测量HBT的S参数数据，并选择合适的偏压下的S参数的数据导入到ADS软件中进行匹配以降低噪声并提高放大增益，具体为：
首先将所测得HBT的S参数导入到ADS软件中的S2P元件301中，电感306的作用是形成负反馈提高器件的稳定性，由于引入电阻会产生噪声，因此采用电感；之后用等增益圆304和等噪声圆305找到兼顾增益和低噪声的输入匹配阻抗，并使用DA_smithchartmatch控件302进行输入匹配操作。由于低噪放大器里，只有输入匹配电路对噪声系数有影响，因此输出端匹配只考虑增益，通过DA_smithchartmatch控件303生成的匹配电路可将50Ω匹配到输出阻抗共轭，进一步说，为了避免产生不必要噪声，输入和输出匹配电路都只包括电感和电容。
如图4所示，为本发明提供的基于ADS软件设计并导出的输入输出匹配电路叠层结构示意图，其中，电感和电容都采用共面波导结构。由于匹配电路由电容和电感组成，因此基于ADS的layout部分设计出的基于共面波导结构的电容和电感共用同一叠层。
整个输入输出匹配电路叠层主要由介质层和金属层组成，包括：
柔性聚酰亚胺衬底Pi401；
非金属Si3N4402，形成在所述柔性聚酰亚胺衬底Pi401上；
基于共面波导结构的平面螺旋电感主体和MIM金属电容底层，二者在同一金属叠层403，形成在所述非金属Si3N4402上；
氧化铝介质层404，形成在所述金属叠层403上；
MIM金属电容顶层408，形成在所述氧化铝介质层404上；
空气介质层409，在所述MIM金属电容顶层408上；
空气桥支架405，在所述金属叠层403的平面螺旋电感上端搭建，且贯穿所述氧化铝介质层404和所述空气介质层409；
空气桥顶面406，在所述空气桥支架405上；
金属支架407，位于所述MIM金属电容顶层408和所述金属叠层403中间，且贯穿所述氧化铝介质层404；
空气介质层410，在所述空气桥顶面406上。
进一步地，基于共面波导结构的平面螺旋电感包括：金属叠层403中的平面螺旋电感主体部分，空气桥支架405以及空气桥顶面406，两边的接底板，其两边接地板和金属叠层403位于同一叠层；
进一步地，基于共面波导结构的MIM电容部分包括：金属叠层403中的MIM电容底层金属，氧化铝介质层404以及MIM金属电容顶层408，两边的接地板，其两边接地板和金属叠层403位于同一叠层。
如图5所示，为本发明提供的基于共面波导结构的平面螺旋电感的具体结构示意图。
由于该电感采用共面波导结构，因此其包括除螺旋电感主体金属501、空气桥支架502以及空气桥顶面503以外，还包括接地板504。其中，螺旋电感主体金属部分501和接地板位于同一金属叠层，和图4中的403相对应。空气桥支架502和空气桥顶面503分别对应图4中的405和406。
进一步地，空气桥顶面503下方的螺旋电感主体金属501的线圈是中断的，为了留出空间让电极部分从502的下方穿过；空气桥支架502位于螺旋电感主体金属501中断位置的边缘上，其另一端和空气桥顶面503的边缘相连；空气桥支架502的作用是支撑空气桥顶面503，并将空气桥顶面503与螺旋电感主体金属501相连；接地板504和螺旋电感主体金属501处于同一平面。相比微带结构，可避免复杂的打孔操作。
如图6所示，为本发明提供的基于共面波导结构的MIM电容的具体结构示意图。
基于共面波导结构的MIM的金属层主要包括：MIM电容底层金属601，MIM电容顶层金属602，顶层金属电极603，金属通道604，以及接地板605。其中接地板605，MIM电容的下层金属601以及顶层金属电极603都位于同一叠层，对应于图4中的403；金属通道604，对应图4中的407；MIM顶层金属对应于图4中的408。
进一步地，顶层金属电极603是为了方便MIM电容顶层金属602和其他元件相连而设计的，并且该电极通过金属通道604和MIM电容的顶层金属602；MIM电容的顶层金属602和MIM电容的底层金属601之间是Al2O3介质，对应于图4中的404。
本申请实施例提供的附图仅为结构示意图，用以解释说明本申请的结构以及流程，并非反映低噪声放大器LNA的真实比例。
本申请所述的硫化钼MoS2也可用其他n型二维过渡金属硫化物代替，如硒化钨(WSe2)，碲化钼MoTe2等。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种低噪声放大器，其特征在于，包括：
异质结双极晶体管HBT、直流偏压、信号源、输入匹配电路、输出匹配电路和负载；
所述输入匹配电路一端连接所述HBT的基极电极，另一端连接所述信号源；所述输出匹配电路一端连接所述HBT的集电极电极，另一端连接所述负载；其中，
所述HBT包括：从下到上依次分布的衬底(101)、介质层(102)、发射极主体(103)、基极主体(104)、集电极主体(107)；所述发射极主体(103)和所述集电极主体(107)为n型二维过渡金属硫化物，所述基极主体(104)为p型单层石墨烯Gr；还包括：发射极电极(105)、基极电极(106)、集电极电极(108)；其中，所述发射极电极(105)和所述基极主体(104)在所述发射极主体(103)上，且二者互不接触；所述基极电极(106)和所述集电极主体(107)在所述基极主体(104)上，且二者互不接触；所述集电极电极(108)在所述集电极主体(107)上；
所述输入匹配电路和输出匹配电路包括：
柔性聚酰亚胺衬底Pi(401)；
非金属Si3N4(402)，形成在所述柔性聚酰亚胺衬底Pi(401)上；
基于共面波导结构的平面螺旋电感主体和MIM电容底层金属，二者在同一金属叠层(403)，形成在所述非金属Si3N4(402)上；
氧化铝介质层(404)，形成在所述金属叠层(403)上；
MIM电容顶层金属(408)，形成在所述氧化铝介质层(404)上；
空气介质层(409)，在所述MIM电容顶层金属(408)上；
空气桥支架(405)，在所述金属叠层(403)的平面螺旋电感上端搭建，且贯穿所述氧化铝介质层(404)和所述空气介质层(409)；
空气桥顶面(406)，在所述空气桥支架(405)上；
金属支架(407)，位于所述MIM电容顶层金属(408)和所述金属叠层(403)中间，且贯穿所述氧化铝介质层(404)；
空气介质层(410)，在所述空气桥顶面(406)上。
2.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述发射极主体(103)和所述集电极主体(107)均为基于CVD法生长的n型双层MoS2。
3.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述发射极电极(105)、集电极电极(108)为两层金属Ti和Au，所述基极电极(106)为Au；
且所述发射极电极(105)和所述发射极主体(103)、所述集电极电极(108)和所述集电极主体(107)、所述基极电极(106)和所述基极主体(104)之间形成欧姆接触。
4.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述衬底(101)为聚酰亚胺柔性衬底Pi。
5.如权利要求4所述的低噪声放大器，其特征在于，所述介质层(102)为非金属Si3N4，且所述非金属Si3N4是基于PECVD法生长的，用于加大所述聚酰亚胺柔性衬底Pi表面光滑度。
6.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述平面螺旋电感包括：接地板(504)，基于共面波导结构的平面螺旋电感主体，所述空气桥支架(405)以及所述空气桥顶面(406)；其中，所述接地板(504)和所述金属叠层(403)位于同一叠层。
7.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述MIM电容包括：接地板(605)，MIM电容底层金属，氧化铝介质层(404)以及MIM电容顶层金属(408)；其中，所述接地板(605)和所述金属叠层(403)位于同一叠层。
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