SiGeC HBT新结构及其关键技术研究

For the problems of SiGe HBT, the substitutional C atoms will be introduced into the heterojunction bipolar transistor in this project, and the key technologies of SiGeC HBT will be studied deeply. The new structure of SiGeC HBT will be proposed.The structure, mechanism, models, characteristics and production process of the new structure device will be analyzed comprehensively and designed optimally. The band-gap of the SiGeC/Si heterojunction will be studied and analyzed. The current transport mechanism of the new device will be explored. The accurate device models and process models will be established, which provides a reliable simulation method for the design of new devices and process. This as a breakthrough, the optimized structure parameters and process parameters of SiGeC HBT will be extracted to obtain the optimized design program of the new structure. The appropriate carbon-doped process and device process conditions will be explored, and the simple and feasible process implementation plan will be developed. On this basis, one of the best device structure will be selected to experiment, and the feature of samples will be tested to verify the correctness and effectiveness of the theory and model. Through the research of this project, the key technology breakthroughs of SiGeC HBT may be achieved, which will lay a solid foundation for the application of SiGeC/Si heterojunction technology in the field of ultra-fast and ultra-high-frequency devices.

项目针对SiGe HBT存在的问题，将替位式C原子引入到异质结晶体管中，对SiGeC HBT关键技术进行深入研究。提出SiGeC HBT新结构，对新结构器件在结构、机理、模型、特性和制作工艺等方面进行综合分析与优化设计；研究分析SiGeC/Si异质结能带结构特点，探索新结构器件电流输运机理；建立精确的SiGeC HBT器件模型、工艺模型，为新器件和工艺的设计提供可靠的模拟仿真手段，并以此为突破口，提取SiGeC HBT优化的结构参数和工艺参数，得到新结构的优化设计方案；探索合适的掺碳工艺和器件工艺条件，制定出简单易行的工艺流程和工艺实施方案。在此基础上，选择一种最佳的器件结构实施方案流片，试制样品并进行测试，验证各种理论分析和参数模型的正确性、有效性。通过本项目的研究，实现SiGeC HBT关键技术的突破，从而为SiGeC/Si异质结技术在超高速、超高频器件领域的应用奠定坚实的研究基础。

课题基于C对SiGe合金的应变补偿作用，对SiGeC HBT关键技术进行深入研究。研究分析了Si基应变材料的晶格结构，形成压应变和张应变的机理，尤其是C的引入导致SiGeC材料临界厚度增加及相关器件热稳定性增强的机理。详细分析了SiGeC/Si能带结构特点，依据ΔEC、ΔEV和ΔEg的关系，得出SiGeC/Si异质结能带结构输运机制。采用数值拟合的方法，给出了SiGeC材料的迁移率模型、能带结构模型、能带窄化模型、介电常数模型，有效质量及有效状态密度模型等，并加入到器件模拟软件ISE和SILVACO中，为SiGeC器件的计算机模拟仿真打下基础。提出一种超结SiGeC异质结双极晶体管新结构。详细分析了新结构中SiGeC基区和超结结构的引入对器件性能的影响，并对其电流输运机制进行研究。基于SiGeC/Si异质结技术，新结构器件高频特性优良；同时超结结构的存在，在集电区内部水平方向和垂直方向都建立了电场，二维方向上的电场分布相互作用大大提高了新结构器件的耐压能力。结果表明，超结SiGeC HBT与普通结构SiGeC HBT相比，击穿电压提高了48.8%。更重要的是SiGeC HBT器件中超结结构的引入，不会改变器件高电流增益、高频率特性的优点。新结构器件与相同结构参数的Si双极晶体管（BJT）相比，电流增益提高了10.7倍，截止频率和最高震荡频率也得到了大幅度改善。将沟槽型发射极应用于SiGe HBT结构中。详细分析了新结构中沟槽型发射极的引入对器件性能的影响，并对其机理进行研究。新型发射极结构通过改变发射极电流路径使电阻分区并联，在不增大结电容的前提下，有效减小发射极电阻，提高器件的频率特性。结果表明，新结构器件的截止频率和最大振荡频率都有所提高，更重要的是沟槽型发射极结构的引入，在提高器件频率特性的同时，不会降低器件的电流增益，也不会增加结电容，很好实现了频率特性、电流增益和结电容之间的折中。对SiGeC HBT关键工艺进行仿真分析，制定出简单易行的SiGeC HBT工艺流程并进行样品试制。