超高频SiGe异质结双极晶体管的可制造性设计

摘要

本文首先概括了SiGe HBT的国内外发展历史及其研究现状，提出了本课题的研究意义及应用价值；讨论了SiGe合金材料的材料特性并对SiGe HBT的基本工作原理进行了简单的介绍；对SiGe HBT的性能进行了详细的讨论与分析，包括工作电流、电流增益、特征频率、最高振荡频率、Early电压等，并给出了相应的计算公式，通过分析发射极延迟时间、发射区存贮时间、基区渡越时间、集电结空间电荷区渡越时间、集电极延迟时间等，重点讨论了其对特征频率的影响；根据理论研究及分析，着重从发射区设计、基区设计和集电区设计入手，针对SiGe HBT器件的设计规则及设计要求，以提高电流增益、频率特性及击穿电压等为目的，确定了器件设计所采用的相关工艺技术，对结构尺寸以及工艺参数等的确定给出了相应的参考指标；对实现超高频SiGe HBT可制造性设计所采用的新一代TCAD仿真工具(包括工艺级仿真工具Sentaurus Process；网格优化工具Sentaurus Structure Editor；器件物理特性模拟工具Sentaurus Device；仿真结果分析工具Inspect及Tecplot SV；集成虚拟化设计平台Sentaurus WorkBench)进行了简要介绍；最后使用Sentaurus TCAD仿真工具实现了超高频SiGe HBT器件的工艺仿真和器件物理特性模拟，选定基区宽度、基区掺杂浓度、基区锗含量、发射区掺杂浓度和集电区掺杂浓度为控制因素，基于适当的试验设计(DoE)方法及理论，建立合理的响应表面模型(RSM)，研究了工艺参数变化对器件物理特性的影响，通过优化设计得到了最佳的工艺参数值；最后对仿真结果进行了简要的分析及讨论，重点讨论了器件的增益特性、频率特性和击穿特性，最终完成了一款性能优良、满足超高频应用领域要求的SiGe HBT异质结双极晶体管的可制造性设计。 本工作对超高频SiGe HBT的工艺及器件物理特性进行了深入探讨，最终完成的这款SiGe HBT异质结双极晶体管最大电流增益达到265，特征频率为76GHz，最高振荡频率为176GHz，集电极与基极击穿电压BVcbo=9.1V，发射极与基极击穿电压BVebo=11V，集电极与发射极击穿电压BVceo=6V，Early电压为18.35V，可见增益特性、频率特性、击穿特性等都达到了理想的设计值，为国内SiGe HBT异质结器件及集成电路的进一步研究奠定了基础，具有一定的参考价值及应用价值。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1.1 SiGe HBT的发展历史及现状

1.2 SiGe HBT的应用前景及研究意义

1.3本论文的主要工作及内容安排

第二章SiGe HBT的基本工作原理

2.1 Si/Si1-xGex材料的基本特性

2.1.1晶格常数及晶格失配率

2.1.2禁带宽度

2.1.3应变层的临界厚度

2.1.4介电常数

2.1.5载流子复合

2.2 SiGe HBT的基本工作原理

第三章SiGe HBT的性能分析及其设计依据

3.1 SiGe HBT的性能分析

3.1.1 SiGe HBT工作电流及电流增益的改善

3.1.2特征频率的计算及分析

3.1.3最高振荡频率的计算及分析

3.1.4 Early电压VA的计算及分析

3.2 SiGe HBT的设计依据

3.2.1发射区的设计

3.2.2基区的设计

3.2.3集电区的设计

第四章实现SiGe HBT可制造性设计的仿真环境

4.1工艺级仿真工具——Sentaurus Process

4.2网格优化工具——Sentaurus Structure Editor

4.3器件物理特性级模拟工具-Sentaurus Device

4.4仿真结果分析工具

4.4.1一维特性分析工具——Inspect

4.4.2多维结构分析工具——Tecplot SV

4.5集成虚拟化设计平台——Sentaurus WorkBench

第五章超高频SiGe HBT的可制造性设计

5.1超高频SiGe HBT的工艺级仿真

5.2超高频SiGe HBT的物理特性级模拟

5.2.1超高频SiGe HBT的直流特性

5.2.2超高频SiGe HBT的频率特性

5.2.3超高频SiGe HBT的击穿特性

5.3超高频SiGe HBT的可制造性设计

第六章超高频SiGe HBT的可制造性设计结果及分析

6.1工艺参数变化对电流增益的影响

6.2工艺参数变化对频率特性的影响

6.3工艺参数变化对击穿特性的影响

6.4超高频SiGe HBT的设计结果

结束语

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文