InP/In0.53Ga0.47As/InP双异质结双极型晶体管的仿真与分析*

朱新宇,陈茜

贵州大学大数据与信息工程学院,贵阳 550025

1 引 言

近年来,信息科技的飞速发展,半导体行业也紧跟时代脚步不断发展.人类的生活已经离不开智能手机、智能手表以及手环等便携式穿戴设备,异质结双极型晶体管(Heterojunction Bipolar Transistor,HBT)作为基础元件出现在任何一台通讯设备的芯片当中.HBT是基于同质结双极型晶体管结构,在发射区采用宽带隙二元化合物的器件[1].In0.53Ga0.47As/InP的异质结材料比普通的砷化镓材料也有着更高的电子迁移率、更高的截止频率以及更好的散热性能[2-5].InGa As禁带宽度为0.75 e V,与InP禁带宽度能够完美匹配,所以才选用该异质结材料来制备晶体管[6-8].然而,目前我们国家正在面临新能源以及新材料开发的挑战,研究这种新的异质结材料也是挑战的突破口,更能够全面推动半导体材料的进程[9].

双异质结双极型晶体管(Double Heterojunction Bipolar Transistor,DHBT)是通过基极-集电极区域In0.53Ga0.47As/InP内加入第二个异质结构,使得所有结构生长环境中的外延关系得以改善,晶体管性能得到提升[10].因为InP/In0.53Ga0.47As/In P DHBT具有高击穿电压以及高速运行的特点,近年来在国内外被广泛研究:余曙芬等人通过基区外延层参数的优化设计,可以改进多指HBT器件的热稳定性[11];石瑞英等人设计出了一个新型结构的复合收集区HBT提高器件的性能[12];周国等人对发射区台面设计来提高器件性能[13].目前就DHBT的热学特性的研究较少,本文运用模拟仿真软件Silvaco-TCAD构 建InP/In0.53Ga0.47As/InP双 异 质结双极型晶体管模型,分析研究掺杂浓度、基区厚度以及温度对器件的电学以及热学性能的影响,进而为后续实验提供一定思路.

2 实验方法

在In P/In0.53Ga0.47As/InP DHBT中,基极材料使用In0.53Ga0.47As,集电极材料使用InP,InGaAs导带要低于InP导带,因此在基极-集电极间会形成尖峰.这种现象会阻止电子向集电极移动,使得基极电流增加并导致电子在集电极速度减小,因此通过引入掺杂层以及渐变层来消除导带尖峰.

通过漂移-扩散模型得到的电流密度为[14]:

式中的J n为电子的电流密度,q代表的是基本电荷,μn代表电子的迁移率,n代表电子浓度,代表电场强度,D n代表电子扩散系数.本文所用到的DHBT结构如图1所示.衬底是InP材料,集电区是浓度为5×1016cm-3的n型InP材料,厚度为300 nm;基区是浓度为3×1019cm-3的p型In0.53Ga0.47As材料,厚度为50 nm;发射区是浓度为5×1017cm-3的n型InP材料,厚度为100 nm;帽层是浓度为2×1019cm-3的n+型In0.53Ga0.47As材料,厚度为100 nm.

图1 器件的结构示意图

如果基极电流增益越大,就说明了电路当中无关的功耗就会减少.HBT的电流增益表示为[15]:

空间电荷区的基区体复合电流以及空间电荷区的复合电流构成了基极电流J B,J c为集电极电流,J SCR为基区表面复合电流,Jpe为基区空穴反向注入电流.电流增益与基极电流有关,选用比较适合结构的材料参数,能够有效降低复合电流而且起到提高电流增益的作用,比如减小基区厚度能够减小基区的体复合电流[16].

截止频率f T以及最高振荡频率fmax是DHBT两个最主要的性能指标,研究这两个参数对提升DHBT性能有着十分重要的意义.f T指的是异质结双极型晶体管在共射偏置时使电流增益为1的频率.除截止频率f T之外,经常也会采用最高振荡频率fmax.fmax指的是异质结双极型晶体管功率增益为1时的频率.截止频率f T和器件的电容、电阻以及掺杂浓度有着紧密的联系.它们之间的关系可以表示为[17]:

式中r e是发射极接触电阻,Rb、R C以及Re分别为基极、集电极以及发射极的接触电阻以及串联电阻之和,Wb为基区宽度,Dbn为基区电子扩散系数,Ceb为发射极-基极的结电容,Cbc为基极-集电极的结电容,x m为基极-集电极耗尽层厚度,Vcs为集电极电子饱和速度.通过以上的公式能够得知,应该尽量减少异质结以及电极的寄生电容以及电阻,以此来提高HBT的截止频率.

本文数据通过Atlas模块内的结构参数来构建整个InP/In0.53Ga0.47As/InP DHBT结构,选取寿命模型(srh)以及迁移率模型(co nmob、fldmob)等主要物理模型,因此使用该模型语句来定义所有区域使用模型,计算方法为Newton迭代法.运用软件对器件进行构造,并且研究DHBT器件内部结构参数的改变来分析得到更好的器件性能参数.表1为所选取的两种材料参数的经典取值[18].

表1 仿真模型的器件材料参数

3 结果与讨论

3.1 掺杂浓度对器件的影响

从模拟结果图2(a)可知,基极电压从0.4 V开始,间隔0.05 V,到1.5 V结束.图2给出基区的掺杂浓度的变化趋势(掺杂浓度分别为3×1019cm-3、4×1019cm-3、1×1020cm-3、4×1020cm-3).能够看出,基区电压在0.4 V～0.75 V范围内,电流增益是逐渐增大的,但是在0.75 V～1.5 V范围内,电流增益随着基极电压增大而减小,在基极电压到达0.75 V附近不同浓度的基区结构下电流增益都能达到一个峰值,在浓度达到4×1019cm-3的时候,电流增益可以达到一个最佳状态,其峰值能达到125左右.截止频率由电流增益而决定,当增益趋于一致时达到f T.由图2(b)可知,当频率达到8.3 V,图中四组浓度的电流增益趋于一致,所以浓度对截止频率没有产生过大的影响.由图2(c)可以看出,四组浓度的最大振荡频率fmax是一致的,单边功率增益有效地表示了晶体管能够实现的最大的功率效应,当浓度到达4×1020cm-3时,晶体管的单边功率增益达到最大值.因为掺杂浓度的升高,内建电势电场差变大,对应尖峰势垒高度以及宽度减小,电子迁移率升高使得有着很好的半导体导电性[19].但如果增大掺杂浓度使得缺陷密度过大时,填充因子降低,会使得晶体管质量下降.

图2 不同浓度下(a)电流放大倍数、(b)电流增益、(c)单边功率增益、(d)电流密度J c

为了比较清晰地表现基区掺杂浓度对DHBT器件热稳定性的影响,下面在1×1019cm-3和4×1019cm-3的区间内选取了5组不同掺杂浓度来进行分析,仿真出五组不同基区掺杂浓度条件下的电流增益崩塌曲线,如图3.从图4中选取集电极Ic=0.04 A对应的Vce的取值,计算得出在不同掺杂浓度条件下的临界功率密度Pcritical变化曲线.由图4可知,基区掺杂浓度和临界功率密度Pcritical的关系变化并不是一直不变的.如果基区掺杂浓度很小,随着基区掺杂浓度的上升,Pcritical就会下降,由此可知器件的热稳定性也会下降;浓度达到2×1019cm-3时,器件的热稳定性是最差的状态;然后浓度大于2×1019cm-3临界值的时候,热稳定性也会上升,等浓度达到4×1019cm-3,Pcritical达到了最大值,此时器件的热稳定性能是最好的.

图3 五组不同浓度下的崩塌曲线

图4 不同基区掺杂浓度下的临界功率密度变化

3.2 厚度对器件的影响

厚度是影响异质结双极型晶体管性能的因素之一,通过调整厚度能够在器件各层之间进行更精确的分配,以此来提高器件性能.为了研究器件基区的最佳厚度数据,分别模拟器件不同基区厚度对器件性能的影响.

图5(a)给出不同厚度时集电极电流对电流增益的影响.由图中能够知道在集电极电流达到了1×10-4A时,电流增益趋于稳定,基区厚度变大也会使得电流增益变小.由图5(b)能够看出随着增大基区厚度,DHBT输出特性得到提升,增大厚度能够降低C-B结导带峰高度,增加基区电流注入,并且DHBT的输出性能得到改善.图5(c)和图5(d)能够得到截止频率和单边功率效应不会受到厚度变化的影响.

图5 不同厚度下(a)电流增益、(b)I-V特性、(c)截止频率、(d)单边功率效应

为了较为清晰地表现出基区厚度对DHBT器件热稳定性的影响,下面模拟仿真会在基区厚度为50 nm和100 nm当中选取5个不同的掺杂浓度来进行仿真分析,绘制出了5条不同的基区掺杂浓度条件下的共射极输出特性曲线,由图6可知.从图6中选取集电极I c=0.04 A对应的Vce的取值,计算得出在不同厚度条件下的临界功率密度Pcritical变化曲线,如图7所示.基区厚度和临界功率密度Pcritical的变化也是非单调的,有着极大值和极小值.在基区厚度为50 nm～70 nm之间,随着基区厚度的变大临界功率密度会随之增大,器件的热稳定性也保持一个良好状态;当厚度达到50 nm时,器件的热稳定性能达到峰值,处于最佳状态;随着厚度增加至80 nm时,器件的热稳定性逐渐变差;当厚度到达80 nm时,热稳定性处于一个较差状态;随后器件的热稳定性也逐渐恢复正常.

图6 不同基区厚度条件下的崩塌曲线

图7 不同基区厚度条件下临界功率密度变化

3.3 温度对器件的影响

通过模拟温度对DHBT的影响,比较晶体管的I c/I b、电流增益、单边功率增益以及最高振荡频率随着温度从260 K到400 K的变化关系,结果如图8所示.

通过图8(a)可以发现,在260 K到400 K的范围内,开启电压随温度上升而下降,这个现象可以用半导体材料带隙宽度的温度效应解释,温度上升可能会影响材料的晶格膨胀以及增强晶格振动,因此会使材料带隙宽度减小,但是温度下降时,带隙就会变大.从图8(b)可以看出,电流的放大倍数是随温度的升高而逐渐减小的,而到了370 K之后放大倍数就趋于稳定了,所以需要选定较低的温度环境才能够达到一个比较好的放大效应.从图8(c)可以看出,功率增益随温度变化的波动较小,总体范围大概在30到31之间,可以忽略不计.最后从图8(d)中能够发现,晶体管的截止电压在260 K到280 K为恒定值,温度达到280 K截止频率逐渐上升达到320 K后趋于稳定,这表明DHBT有着很好的温度稳定性.

图8 温度对晶体管的特性影响:(a)开启电压、(b)电流放大系数、(c)单边功率增益、(d)频率特性

4 结 论

本文设计了一种双异质结构InP/In0.53Ga0.47As/In P的双极型晶体管,并且模拟了基区浓度、基区厚度以及温度对器件的电学特性以及热稳定性的影响.结果表明这种DHBT开启电压大约能达到0.4 V,有着比较好的开启电压,当浓度达到4×1019cm-3的时候,电流增益可以达到一个最佳状态,其峰值能达到125左右,且浓度对f T以及f max没有太大影响.随着基区厚度以及掺杂浓度的增大,InP/In0.53Ga0.47As/InP DHBT的电流增益逐渐降低.对比基区掺杂浓度,改变基区厚度对电流增益的影响更大.当增大基区厚度时,电流增益会减小,改变厚度能够使DHBT输出特性得以提升,并且提高基区电流的注入.而且DHBT具有很好的温度稳定性.对于DHBT的热学特性,通过研究基区掺杂浓度以及厚度对器件热稳定性的影响知道,掺杂浓度以及厚度对热稳定性的影响不具有单调性,可能会出现极好或者极坏的情况.这些理论数据为今后制备高效的InP/InGaAs/InP异质结双极型晶体管提供了客观依据.