SiGe半导体在微电子技术发展中的重要作用

分类：论文范文 发表时间：2021-04-23 08:44

　　摘要:从Si-BJT和Si-FET集成电路在提高频率、速度上的困难,到SiGe-HBT和SiGe-FET及其集成电路的优异特性,论述了SiGe半导体在Si基微电子技术发展中的重要作用;特别强调了应变增强载流子迁移率—应变工程技术的重要作用。介绍了SiGe器件及其集成电路的发展概况。

　　关键词:双极型晶体管;异质结双极型晶体管;SiGe-HBT;SiGe-BiCMOS;调制掺杂场效应晶体管;应变工程;SiGe-FE

　　1引言

　　30多年以来,Si一直是半导体工业中占绝对优势的半导体材料。尽管最早采用的是Ge,并且其他某些半导体材料也许具有较高的载流子迁移率、较大的载流子饱和漂移速度和较宽的禁带宽度,但由于Si的许多优良特性,特别是能方便地形成极其有用的绝缘膜———SiO2膜,而且在Si工艺中也能够方便地使用另一种很有价值的绝缘膜———Si3N4膜,从而利用Si能够实现最廉价的集成电路工艺,所以在整个微电子技术中,Si器件的应用超过了97%。

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　　2SiGe-HBT

　　2.1双极型晶体管和异质结双极型晶体管

　　一般说来,双极型晶体管(BJT)的功耗较大,然而它具有较高的工作频率和较低的噪声,故常常应用于要求低噪声、高线性度和高频的模拟电路与高速数字电路中。但是,常规BJT难以实现超高频、超高速,这是由于它本身存在若干固有的内在矛盾。例如,为了进一步提高频率和速度,就要求减小基极电阻、减小集电结势垒电容、减小发射结势垒电容和减小衬底等的寄生电容。而减小基极电阻所需要采取的措施就是提高基区掺杂浓度和增宽基区厚度,但这会相应地使得发射结注入效率降低和载流子渡越基区的时间增长,又反过来影响到频率、速度和放大性能;况且由于发射区的最高掺杂浓度受到一定的限制,为了维持足够的放大性能,基区掺杂浓度也不可能无限制地提高。减小发射结势垒电容所需要采取的措施就是降低发射区掺杂浓度,但这也会使发射结注入效率降低,影响放大系数。而减小集电结耗尽层电容要求增加集电结耗尽层厚度和减小集电结面积,但这会使渡越集电结耗尽层的时间增加,同时功率容量也将受到影响。此外,减小寄生电容,特别是衬底的寄生电容,就需要改变管芯的结构和工艺(例如采用SOI或SOS结构的衬底),并减小管芯尺寸等。可见,提高BJT的频率和速度,与提高其放大性能是互相矛盾的;BJT的优化设计只能在很多相互关联的性能因素之间进行折中考虑,所以其工作频率和速度也只能达到一定的水平,难以实现超高频和超高速。另外,BJT在降低噪声方面也表现出尖锐的内在矛盾,因为基区掺杂浓度的提高和基区宽度的增大要受到一定的限制,故基极电阻不能做得很低,所以一般的BJT很难实现低噪声、特别是低噪声宽带的放大功能。

　　2.2SiGe-HBT

　　SiGe-HBT是发射区用Si、基区用SiGe制作的一种异质结双极型晶体管,即采用Si/SiGe异质结作为发射结的晶体管。因为Si和Ge的电子亲和能相差不多(分别为4.00eV和4.05eV),则在Si/SiGe异质结中导带底的能量突变量ΔEC很小(一般可以忽略不计),主要是产生价带顶的能量台阶ΔEV(近似为SiGe合金与Si的禁带宽度之差ΔEg,第1期谢孟贤等:SiGe半导体在微电子技术发展中的重要作用35大约为200meV)。因此,在Si/SiGe异质结中,通过禁带宽度的差异,造成一个较高的额外的空穴势垒,使空穴从SiGe区向Si区的注入受到抑制,从而极大地提高了Si/SiGe异质结注入电子的效率。将这种异质结用作n-p-n型HBT的发射结,可大大提高晶体管的电流放大系数,并使电流放大系数基本上与发射结两边的掺杂浓度无关

　　3SiGe-FET

　　3.1增强载流子迁移率的重要性

　　为实现场效应集成电路的超高频和超高速性能,就需要提高其中场效应晶体管(FET)的载流子迁移率。实际上,从某种意义上来说,增强载流子迁第1期谢孟贤等:SiGe半导体在微电子技术发展中的重要作用37移率的措施是一种必不可少的手段。因为信号在集成电路中传输的延迟时间τd与信号的逻辑电压摆幅Vm和载流子迁移率μ成反比,即:

　　3.2调制掺杂场效应晶体管(MODFET)

　　虽然GaAs等化合物半导体的电子迁移率高于Si(GaAs比Si约高6倍),由它们制作的n型场效应晶体管也具有相当好的微波性能(例如,GaAs-MESFET可以工作到毫米、乃至亚毫米波段),但是,它们的集成电路却最高只能达到Ku波段;这主要还是由于它们的载流子迁移率仍然不够高的缘故。对于p型场效应晶体管,化合物半导体与Si差不多(因为它们的空穴迁移率差别不大)。所以,为了实现超高频和超高速集成电路,就连化合物半导体,特别是p型半导体,也必须进一步提高载流子迁移率。为此发展出来的所谓调制掺杂异质结,就是一种能够获得高载流子迁移率的结构。它所采用的异质结形式是突变异质结(图1(a))。由于其中的势阱(沟道)层是不掺杂的本征层,即消除了电离杂质散射中心的影响,因此,其中的载流子迁移率远高于体材料的迁移率。现在已经广泛使用的HEMT(高电子迁移率晶体管)或PHEMT(赝晶高电子迁移率晶体管),就是一种使用调制掺杂的化合物半导体异质结(例如n-AlGaAs/i-GaAs异质结)来制作的场效应器件(类似于结型栅FET),称为调制掺杂场效应晶体管(MODFET)。由于这种异质结的MODFET具有微波、低噪声、高线性度等优良性能,已制成微波功率放大器和微波低噪声放大器等模拟电路,在模拟微电子技术中得到了广泛的应用。像HBT一样,由HEMT也可以构成毫米波集成电路(由频率较高的GaAs-MESFET构成的集成电路只能达到Ku波段)。

　　4结论

　　可以见到:1)SiGe技术利用能带工程和应变工程,可以克服Si基微电子技术在发展超高频、超高速集成电路方面所遇到的困难;SiGe器件及其集成电路能够获得接近GaAs等化合物半导体的性能水平,在工艺成熟之后,能在较大的范围内取代在超高频、超高速领域占绝对优势的GaAs等化合物半导体器件和电路;2)SiGe技术与常规的Si工艺技术基本兼容,SiGe器件及其集成电路在制造成本和集成度等方面优于GaAs等化合物半导体器件和电路,所以,SiGe微电子技术的发展前景非常广阔。简而言之,SiGe是继Si、GaAs之后一种重要的半导体材料。利用SiGe微电子技术,有可能使Moore定律的有效性得以延长。所以,SiGe半导体对于微电子技术的进一步发展具有极其重要的意义。

　　参考文献:

　　[1]徐世六主编.SiGe微电子技术[M].北京:国防工业出版社,2007.

　　[2]任冬玲,张鹤鸣.延续摩尔定律的新材料———应变Si[J].半导体技术,2007,32(8):650-652.

　　[3]徐剑芳,李成,赖虹凯.微波大功率SiGeHBT的研究进展及其应用[J].微电子学,2005,35(5):521-526.

　　谢孟贤1,古妮娜2

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