InP/In0.53Ga0.47As/InP雙異質結雙極型晶體管的仿真與分析*

朱新宇,陳茜

貴州大學大數據與信息工程學院,貴陽 550025

1 引 言

近年來,信息科技的飛速發展,半導體行業也緊跟時代腳步不斷發展.人類的生活已經離不開智能手機、智能手表以及手環等便攜式穿戴設備,異質結雙極型晶體管(Heterojunction Bipolar Transistor,HBT)作為基礎元件出現在任何一臺通訊設備的芯片當中.HBT是基于同質結雙極型晶體管結構,在發射區采用寬帶隙二元化合物的器件[1].In0.53Ga0.47As/InP的異質結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,所以才選用該異質結材料來制備晶體管[6-8].然而,目前我們國家正在面臨新能源以及新材料開發的挑戰,研究這種新的異質結材料也是挑戰的突破口,更能夠全面推動半導體材料的進程[9].

雙異質結雙極型晶體管(Double Heterojunction Bipolar Transistor,DHBT)是通過基極-集電極區域In0.53Ga0.47As/InP內加入第二個異質結構,使得所有結構生長環境中的外延關系得以改善,晶體管性能得到提升[10].因為InP/In0.53Ga0.47As/In P DHBT具有高擊穿電壓以及高速運行的特點,近年來在國內外被廣泛研究:余曙芬等人通過基區外延層參數的優化設計,可以改進多指HBT器件的熱穩定性[11];石瑞英等人設計出了一個新型結構的復合收集區HBT提高器件的性能[12];周國等人對發射區臺面設計來提高器件性能[13].目前就DHBT的熱學特性的研究較少,本文運用模擬仿真軟件Silvaco-TCAD構 建InP/In0.53Ga0.47As/InP雙 異 質結雙極型晶體管模型,分析研究摻雜濃度、基區厚度以及溫度對器件的電學以及熱學性能的影響,進而為后續實驗提供一定思路.

2 實驗方法

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導帶要低于InP導帶,因此在基極-集電極間會形成尖峰.這種現象會阻止電子向集電極移動,使得基極電流增加并導致電子在集電極速度減小,因此通過引入摻雜層以及漸變層來消除導帶尖峰.

通過漂移-擴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,代表電場強度,D n代表電子擴散系數.本文所用到的DHBT結構如圖1所示.襯底是InP材料,集電區是濃度為5×1016cm-3的n型InP材料,厚度為300 nm;基區是濃度為3×1019cm-3的p型In0.53Ga0.47As材料,厚度為50 nm;發射區是濃度為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 器件的結構示意圖

如果基極電流增益越大,就說明了電路當中無關的功耗就會減少.HBT的電流增益表示為[15]:

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

截止頻率f T以及最高振蕩頻率fmax是DHBT兩個最主要的性能指標,研究這兩個參數對提升DHBT性能有著十分重要的意義.f T指的是異質結雙極型晶體管在共射偏置時使電流增益為1的頻率.除截止頻率f T之外,經常也會采用最高振蕩頻率fmax.fmax指的是異質結雙極型晶體管功率增益為1時的頻率.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系.它們之間的關系可以表示為[17]:

式中r e是發射極接觸電阻,Rb、R C以及Re分別為基極、集電極以及發射極的接觸電阻以及串聯電阻之和,Wb為基區寬度,Dbn為基區電子擴散系數,Ceb為發射極-基極的結電容,Cbc為基極-集電極的結電容,x m為基極-集電極耗盡層厚度,Vcs為集電極電子飽和速度.通過以上的公式能夠得知,應該盡量減少異質結以及電極的寄生電容以及電阻,以此來提高HBT的截止頻率.

本文數據通過Atlas模塊內的結構參數來構建整個InP/In0.53Ga0.47As/InP DHBT結構,選取壽命模型(srh)以及遷移率模型(co nmob、fldmob)等主要物理模型,因此使用該模型語句來定義所有區域使用模型,計算方法為Newton迭代法.運用軟件對器件進行構造,并且研究DHBT器件內部結構參數的改變來分析得到更好的器件性能參數.表1為所選取的兩種材料參數的經典取值[18].

表1 仿真模型的器件材料參數

3 結果與討論

3.1 摻雜濃度對器件的影響

從模擬結果圖2(a)可知,基極電壓從0.4 V開始,間隔0.05 V,到1.5 V結束.圖2給出基區的摻雜濃度的變化趨勢(摻雜濃度分別為3×1019cm-3、4×1019cm-3、1×1020cm-3、4×1020cm-3).能夠看出,基區電壓在0.4 V～0.75 V范圍內,電流增益是逐漸增大的,但是在0.75 V～1.5 V范圍內,電流增益隨著基極電壓增大而減小,在基極電壓到達0.75 V附近不同濃度的基區結構下電流增益都能達到一個峰值,在濃度達到4×1019cm-3的時候,電流增益可以達到一個最佳狀態,其峰值能達到125左右.截止頻率由電流增益而決定,當增益趨于一致時達到f T.由圖2(b)可知,當頻率達到8.3 V,圖中四組濃度的電流增益趨于一致,所以濃度對截止頻率沒有產生過大的影響.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實現的最大的功率效應,當濃度到達4×1020cm-3時,晶體管的單邊功率增益達到最大值.因為摻雜濃度的升高,內建電勢電場差變大,對應尖峰勢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體導電性[19].但如果增大摻雜濃度使得缺陷密度過大時,填充因子降低,會使得晶體管質量下降.

圖2 不同濃度下(a)電流放大倍數、(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基區摻雜濃度對DHBT器件熱穩定性的影響,下面在1×1019cm-3和4×1019cm-3的區間內選取了5組不同摻雜濃度來進行分析,仿真出五組不同基區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對應的Vce的取值,計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,基區摻雜濃度和臨界功率密度Pcritical的關系變化并不是一直不變的.如果基區摻雜濃度很小,隨著基區摻雜濃度的上升,Pcritical就會下降,由此可知器件的熱穩定性也會下降;濃度達到2×1019cm-3時,器件的熱穩定性是最差的狀態;然后濃度大于2×1019cm-3臨界值的時候,熱穩定性也會上升,等濃度達到4×1019cm-3,Pcritical達到了最大值,此時器件的熱穩定性能是最好的.

圖3 五組不同濃度下的崩塌曲線

圖4 不同基區摻雜濃度下的臨界功率密度變化

3.2 厚度對器件的影響

厚度是影響異質結雙極型晶體管性能的因素之一,通過調整厚度能夠在器件各層之間進行更精確的分配,以此來提高器件性能.為了研究器件基區的最佳厚度數據,分別模擬器件不同基區厚度對器件性能的影響.

圖5(a)給出不同厚度時集電極電流對電流增益的影響.由圖中能夠知道在集電極電流達到了1×10-4A時,電流增益趨于穩定,基區厚度變大也會使得電流增益變小.由圖5(b)能夠看出隨著增大基區厚度,DHBT輸出特性得到提升,增大厚度能夠降低C-B結導帶峰高度,增加基區電流注入,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不會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

為了較為清晰地表現出基區厚度對DHBT器件熱穩定性的影響,下面模擬仿真會在基區厚度為50 nm和100 nm當中選取5個不同的摻雜濃度來進行仿真分析,繪制出了5條不同的基區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對應的Vce的取值,計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.基區厚度和臨界功率密度Pcritical的變化也是非單調的,有著極大值和極小值.在基區厚度為50 nm～70 nm之間,隨著基區厚度的變大臨界功率密度會隨之增大,器件的熱穩定性也保持一個良好狀態;當厚度達到50 nm時,器件的熱穩定性能達到峰值,處于最佳狀態;隨著厚度增加至80 nm時,器件的熱穩定性逐漸變差;當厚度到達80 nm時,熱穩定性處于一個較差狀態;隨后器件的熱穩定性也逐漸恢復正常.

圖6 不同基區厚度條件下的崩塌曲線

圖7 不同基區厚度條件下臨界功率密度變化

3.3 溫度對器件的影響

通過模擬溫度對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的變化關系,結果如圖8所示.

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

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

4 結 論

本文設計了一種雙異質結構InP/In0.53Ga0.47As/In P的雙極型晶體管,并且模擬了基區濃度、基區厚度以及溫度對器件的電學特性以及熱穩定性的影響.結果表明這種DHBT開啟電壓大約能達到0.4 V,有著比較好的開啟電壓,當濃度達到4×1019cm-3的時候,電流增益可以達到一個最佳狀態,其峰值能達到125左右,且濃度對f T以及f max沒有太大影響.隨著基區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.對比基區摻雜濃度,改變基區厚度對電流增益的影響更大.當增大基區厚度時,電流增益會減小,改變厚度能夠使DHBT輸出特性得以提升,并且提高基區電流的注入.而且DHBT具有很好的溫度穩定性.對于DHBT的熱學特性,通過研究基區摻雜濃度以及厚度對器件熱穩定性的影響知道,摻雜濃度以及厚度對熱穩定性的影響不具有單調性,可能會出現極好或者極壞的情況.這些理論數據為今后制備高效的InP/InGaAs/InP異質結雙極型晶體管提供了客觀依據.