太赫兹复合应变Si/SiGe HBT器件建模与仿真研究

Modeling of strained Si/SiGe HBT is one of the core scientific problems in the field of integrated circuits design and simulation for microwave semiconductor devices. A novel composite strain Si/SiGe HBT device will be established by a global additional uniaxial stress.The operating speed of the device will be further improved through the introduction of the composite stress,which can meets the performance requirements for the core device in the terahertz frequency band.In this project, based on the structure and working principle, microstructures, carrier transport mechanism, second-order effect and parasitic effects of the device will be researched. Meantime the influence of the physical parameters on its electrical properties will be explored. The complete equivalent circuits and model parameters will be established which including DC 、large signal and small signal. The relationship between the device parameters and the fabrication process will be revealed based on the theory of finite element analysis.Simulation technology for composite strained Si/SiGe HBT and circuits will be researched. The evidence for the validity of the model will be derived from the comparison of TCAD and model simulation results.Moreover simulation for devices and circuits will be achieved. The model will be useful for the design and simulation of SiGe BiCMOS and integrated circuits in terahertz applications.

应变Si/SiGe HBT器件模型的建立是半导体微波集成电路仿真和设计领域的核心科学问题之一。通过在SiGe HBT中同时引入双轴和单轴应变，建立一种新颖的复合应变Si/SiGe HBT器件结构，复合应力的引入，进一步提高了器件的工作速度，可以满足太赫兹频段对核心器件性能的要求。本项目通过研究器件微观结构以及载流子输运机制、二级效应和器件寄生效应,探索器件的物理参数对其电学性能的影响,建立完整的直流、 大信号和小信号等效电路模型和参数模型。同时基于有限元分析理论,揭示工艺过程和模型参数的理论关系。研究复合应变Si/SiGe HBT器件与电路的仿真技术,并通过工艺仿真软件的验证研究,实现基于应变Si/SiGe HBT器件及电路的仿真,为太赫兹频段的SiGe BiCMOS集成器件及电路的研究、设计奠定基础。

随着我国5G/6G通信、航天科技及军事科技的迅速发展，对太赫兹器件/电路不仅在数量上有更多的要求，而且希望电路满足低成本、小体积及能和已有的小尺寸硅电路兼容集成，从而构成系统集成芯片。硅基太赫兹器件正好满足这些要求。因此开发探索基于硅基太赫兹器件的系统集成，能扭转我国目前太赫兹电路及大部分核心芯片靠进口的状态，满足我国太赫兹高频应用领域的需求。本项目将成熟的CMOS技术、快速发展的SiGe技术以及“硅基应变技术”这三者有机结合，设计并实现多种新颖的硅基太赫兹器件。设计的太赫兹复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管，其发射区宽度90纳米，有效降低了基区的本征电阻；集电区两侧采用嵌入式SiGe结构，在双轴应变的同时引入了单轴应变，将有效的降低载流子在集电区的传输时间，该结构同时减小了有效集电区宽度，降低了集电结电容，进一步提高了器件的频率特性；适当的选择Si帽层的厚度，可以有效降低界面处载流子的堆积，提高器件的增益；同时该双极晶体管的制备方法完全可以和90纳米的CMOS工艺兼容，有效的降低了器件的开发和制作成本。其特征频率fT和fMAX 分别为507GHz/730GHz。建立太赫兹器件等效电路模型，模型包括本征NPN晶体管单元，寄生衬底PNP晶体管单元，衬底匹配网络单元，BC寄生等效电路单元，BE寄生等效电路单元，以及发射区、基区和集电区寄生等效电阻，该等效电路模型能精确反映器件物理本质，准确的模拟器件特性，且参数少、提取过程简单，同时可以将所建立的等效电路模型嵌入仿真软件， 适用于模拟高频集成电路仿真设计。以发表论文5篇，其中SCI检索2篇；申请中国发明专利7项，美国发明专利1项，其中已授权中国发明专利5项。2018年7月获得河北省第三批青年拔尖人才称号。