GaAs化合物半导体及高速集成电路(7)

化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

为InGaAs薄层是一层赝晶层且在HEMT中起着 i –GaAs层的作用，所以成为―赝‖层，这种HEMT也就相应地成为赝HEMT。（见图5-6）

图 5-6 PHEMT的基本结构及其能带图

PHEMT较之常规HEMT有以下优点：

(1)InGaAs层二维电子气的电子迁移率和饱和速度皆高于GaAs，前者电子饱和漂移速度达到了7.4×1017cm2V-1S-1，后者为4.4×1017cm2V-1S-1，因此工作频率更高。

(2)InGaAs禁带宽度小于GaAs，因此增加了导带不连续性。300K时GaAs禁带宽度为1.424eV，InGaAs为0.75eV。

(3)InGaAs禁带宽度低于两侧AlGaAs和GaAs材料的禁带宽度，从而形成了量子阱，比常规HEMT对电子又多加了一个限制，有利于降低输出电导，提高功率转换效率。

对InGaAs两侧调制掺杂，形成双调制掺杂PHEMT，双调制掺杂PHEMT的薄层载流子浓度是常规PHEMT的二倍，因此有非常高的电流处理能力。对于1μm栅长的器件，在300K和77K下已分别达到430mA/mm和483mA/mm的水平。（见图5-7）

图 5-7 双调制掺杂PHEMT能带图

本章小节

掌握HEMT基本结构*

了解HEMT器件的工作机理

为提高常规HEMT性能，对材料结构做了哪些改进* 掌握PHEMT材料结构，与常规HEMT相比有什么特点*

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化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

第六章 异质结双极性晶体管 6.1 HBT的基本结构

6.2典型结构HBT的性能 6.3 其他结构HBT举例

6.1 HBT的基本结构

异质结双极性晶体管—— Hetero junction Bipolar Transistor （HBT）

1951年，Shockley针对普通双极晶体管较难做到超高频、超高速的问题，提出了宽带隙发射区的概念。1957年，Kroemer根据扩散模型分析了宽带隙发射区对提高电流放大系数的作用。上世纪70年代中期，随着MBE和MOCVD技术的发展，制作出了性能良好的AlGaAs/GaAs异质结双极型晶体管。目前，HBT在低相位噪声振荡器、高效率功率放大器、宽带放大器中都有广泛的应用。

异质结双极性晶体管器件具有宽带隙发射区，大大提高了发射结的载流子注入效率；基区可以高掺杂（可高达1020cm-3)，基区电阻rb可以显著降低，从而增加 fmax ；同时基区不容易穿通，从而厚度可以做到很薄，即不限制器件尺寸缩小；发射结浓度可以很低（约1017cm-3）,从而发射结耗尽层电容大大减小，器件的 fT 增大。

HBT具有功率密度高、相位噪声低、线性度好等特点，在微波高效率应用方面比MESFET 、HEMT更有优势。

图6-1 AlGaAs/GaAs HBT的结构及各层掺杂浓度的分布

常见的HBT包括：（1）AlGaAs/GaAs HBT 发射区采用AlxGa1-xAs材料，Al组分x选择在0.25左右（高于此值时n型AlGaAs中出现深能级使发射结电容增加）。特点为AlGaAs/GaAs体系具有良好的晶格匹配，采用半绝缘衬低，器件之间容易隔离和互连。（2）InGaAs HBT 基区采用InGaAs材料，InP或InAlAs作为发射区材料。这类器件的半绝缘衬底采用掺Fe的InP，优点是InGaAs中的电子迁移率很高，本征材料中其电子迁移率是GaAs材料的1.6倍。（3）Si/SixGe1-x HBT 加入Ge可以降低Si的禁带宽度，形成可以用于HBT基区的合金。GeSi HBT特点是禁带宽度差基本全部产生在△EV制作n-p-n型HBT具有很高的注入效率；采用成熟的Si工艺，工艺简单成熟，价格便宜。

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6.2典型结构HBT的性能

异质结双极性二极管（HBT）的能带间隙在一定范围内可以任意设计，从这器件各区带隙宽度变化角度出发，可以考虑如下几种情况：

(1)宽带隙发射区结构 (2)缓变基区结构 (3)宽带隙集电区结构 (4)缓变集电区结构 从器件高速性能设计角度考虑，HBT有代表性的四种结构为：

（1）突变发射结结构（2）缓变发射结结构（3）缓变发射结、缓变基区结构（4）突变发射结、缓变基区结构

以n-p-n型AlGaAs/GaAs HBT为例，分别讨论各典型结构HBT性能。 （1）突变发射结HBT

通过改变异质发射结的组分来实现，其重要特点是发射结两边的导带底存在一个能带突变量△EC，阻碍电子从发射区流到基区，降低了发射结的注入效率。但在高速工作时，注入基区的电子速度较高，电子渡越基区的时间τB将变短，则特征频率 fT 升高。

图 6-2 突变发射结HBT能带图

（2）缓变发射结HBT

为了提高HBT的电流增益,在几十纳米的距离上改变合金材料的组分比例将得到一个缓变异质结。例如AlxGa1-xAs，如果组分比例x从某一组分下降到零，则禁带将从较大的宽度缓变到GaAs的禁带宽度，电子亲和能则具有相反的变化趋势。

放大状态下，基极电流来自三个方面：发射势垒中的复合电流jer、基区内复合而必须补偿空穴损失的电流jbr 和基区向发射区注入的空穴电流jep；集电极电流主要来自发射极注入并穿过基区的电流jcn

图6-3 缓变发射结HBT热平衡状态下能带图和放大工作状态下能带图

jCnjn于是共发射极电流增益可表示为： h??h(max)?FEFEj?j?jjp ErBrEpqV/kT根据晶体管理论：jn?qNEvnben jp?qNBvpeeqVp/kT

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化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

?EgkT所以 hFE(max)?NEvnbeNBvpe

其中NE、NB分别为发射极区和基区掺杂浓度，vnb为基区靠近发射结处的电子平均速度，vpe为发射区靠近基区一侧的空穴平均速度，qVn、qVp分别为电子势垒和空穴势垒的高度。 与掺杂分布相同的同质结晶体管（BJT）相比，hFE(max)之比为： ?EghFE(max)(HBT)?exp() hFE(max)(BJT)kT

其中△Eg= | qVp-qVn |，可见宽禁带发射区异质结可使电流增益大幅度提高。通常选取△Eg>250meV(～10kT),与同质结相双极晶体管比，hFE提高了104倍。

这样，即使基区高掺杂浓度很高（可以达到1020cm-3），发射区掺杂浓度很低（可达1017cm-3），也可以得到较高的电流放大系数。而提高基区掺杂浓度，降低发射区掺杂浓度都会使器件性能得到很大改善。

表征高频和开关性能的参数—特征频率fT，由四个时间常数决定：

1 fT?2?(?E??B??C??x)

式中，τE为发射结电容充放电时间，τB为渡越基区时间，τC为集电极电容充放电时间，τx为集电结耗尽层信号延迟时间。对小信号情况，影响fT的主要因素是τE 和τB。 HBT的发射区掺杂浓度可以做的很低，则Ce小，从而τE很小，fT很高。

（3）缓变发射结、缓变基区HBT

基区使用宽带隙材料，通过改变材料组分比例控制基区中带宽缓变，使之导带建立能带梯度△Egb也是很有意义的。对缓变基区结构的HBT，需要考虑基区内部漂移电场E的作用。设基区两端带隙之差为△Egb，则有 V??Egb/qWBHBT中基区宽度WB往往做的很薄（约0.1μm），因此漂移电场V可以很大（BJT的漂移电场一般2～6kV/cm，HBT中可达20kV/cm），用这内建电场加速电子，能大大缩短基区输运时间。当△Egb=0.2eV时，由于漂移电场的作用，将使电子渡越基区时间缩短4倍，使器件频率、开关和放大性能都有明显改善。显然可使器件频率，开关和放大性能都有明显改善。能带图见图6-4（a）

(4) 突变发射结、缓变基区HBT

和缓变发射结、缓变基区器件类似，但是此结构HBT需要考虑两个因素对注入到基区的电子的影响，其一是△EC使电子的初速度增大，其二是△Egb使电子产生速度过冲效应。能带图见图6-4（b）

（a） （b）

图 6-4 （a）缓变发射结、缓变基区HBT能带图 （b）突变发射结、缓变基区HBT能带图

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6.3 其他结构HBT举例

（1）双异质结HBT

单异质结HBT中，EB结和BC结内建电压不同，器件开启需要克服EB结和BC结的电势差，使期间饱和压降增大，引入功率损耗，为了减小单异质结引入的开启电压，将单异质结HBT中的BC结也制作为异质结，形成所谓的双异质结HBT结构。

（2）倒置HBT

常规双极晶体管结构发射极在上，集电极位于器件的下方。倒置型HBT发射极位于器件下方，集电极位于器件上方，可以有效减少集电结面积，进而减少集电极电容，提高器件高速性能。同时避免了发射极长引线引入的电感，改善器件高频新能。

（3）光子HBT（HPT）

异质结光子双极晶体管结构与单异质结HBT结构近似，采用宽带隙发射区结构。特定频率入射光照射发射区时，由于其带隙较宽，对入射光子没有响应，对入射光透明，这一效应称为“窗口效应”。此时，大部分入射光可以直接透过发射结入射到集电结势垒，光子在集电结势垒发生吸收，产生电子空穴对——广生电流，器件导通。由于电压偏置，光子电流被放大，达到光电信号转换和光探测的目的。

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