GaAs基异质结双极晶体管（HBT）的模拟、设计与制作

摘要

异质结双极晶体管(HBT)的特点具有宽带隙的发射区，能大大提高发射结的载流子注入效率，降低基区串联电阻，其优异的性能包括高速、大功率、低噪声、线性度好、单电源工作等，广泛应用于微波毫米波电路、高速数字电路、模/数转换器、光通信及移动通信等领域。 本文首先叙述了HBT的原理、特性、结构设计、典型材料、器件结构和模拟，以及GaAs基HBT结构的研究状况，然后详细描述了AlGaAs/GaAs，InGaP/GaAs，GaAsSb/GaAs三种GaAs基HBT器件的材料生长、制作工艺及其特性。 本文所做的主要工作有：1.生长AlGaAs/GaAs材料体系的HBT，通过制作大尺寸器件验证其直流特性，并对器件制作工艺进行优化。由于AlGaAs和GaAs晶格常数十分接近，材料生长和器件制备都比较成熟，研究AlGaAs/GaAsHBT可为其他新型HBT材料研究奠定基础。通过设计突变结和缓变结AlGaAs/GaAsHBT，综合考虑Be的扩散和基区的晶体质量，优化基区的生长条件，制备了大尺寸的HBT器件，通过其直流特性和频率特性的测试结果，表明器件的均匀性和输出特性的线性度都比较好。 2.由于InGaP/GaAs在材料性能和器件制作上具有AlGaAs/GaAs无法比拟的优势，InGaP/GaAsHBT成为目前GaAs基HBT研究和应用的主流。在国内MBE系统上首次引进分解GaP产生P这一新型固态P源来生长InGaP外延层，得到高质量InGaP外延层。利用选择性腐蚀可以精确地完成器件各台面的刻蚀，制作出均匀性和输出特性的线性度都比较好的InGaP/GaAsHBT器件。 3.GaAs/GaAsSbHBT(MMHBT)由于兼备GaAs的相对低成本和InPHBT的高频等优点，有着广泛的应用前景。作者根据以前的实验结果，设计并生长了GaAs/GaAs0.89Sb0.11双异质结HBT结构材料，对制作的大尺寸的器件的直流特性进行了测试和分析。MMHBT是一个非常值得研究的方向。

目录

文摘

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学位论文的主要创新点

第一章异质结双极晶体管(HBT)

1.1工作原理

1.1.1同质结双极晶体管结构及原理

1.1.2 HBT的材料结构及原理

1.2特性分析

1.2.1 HBT的I-V特性

1.2.2 HBT的频率特性

1.3结构设计

1.3.1发射区—基区异质结的设计

1.3.2基区的设计

1.3.3集电区的设计

1.4材料与器件结构

1.4.1单异质结双极晶体管(SHBT)

1.4.2双异质结双极晶体管(DHBT)

1.4.3倒置HBT

1.5 HBT的制作工艺

1.6 HBT的器件模拟

1.6.1模拟工具

1.6.2复合系列模型

1.7国内外GaAs基HBT的发展现状

第二章AlGaAs/GaAs HBT外延材料与器件

2.1简介

2.2 AlGaAs/GaAs突变结HBT

2.2.1生长AlGaAs/GaAs突变结HBT的材料结构

2.2.2 HBT的载流子纵向浓度分布

2.2.3低温荧光检测HBT材料质量

2.2.4器件的直流特性测试与分析

2.3 AlGaAs/GaAs缓变结HBT

2.3.1生长AlGaAs/GaAs缓变结HBT的材料结构

2.3.2器件直流特性测试与分析

2.3.3频率特性测试

2.3.4采用Lehighton薄层电阻测试仪测试HBT均匀性

2.3.5器件模拟

2.4小结

第三章InGaP/GaAs HBT外延材料与器件

3.1简介

3.1.1InGaP/GaAs HBT材料的优点

3.1.2 InGaP/GaAs HBT的研究进展

3.2 InGaP外延层的生长

3.2.1 InGaP外延层的PL谱

3.2.2 InGaP外延层的Hall测量结果

3.2.3 InGaP外延层的X-Ray双晶摇摆曲线

3.3 InGaP/GaAs HBT器件的初步研究

3.3.1固态源分子束生长的InGaP/GaAs HBT外延材料结构

3.3.2电化学C-V及二次离子质谱(SIMS)测试

3.3.3采用Lehighton薄层电阻测试仪测试HBT均匀性

3.3.4器件制备与直流特性

3.4小结

第四章GaAs/GaAsSb HBT外延材料与器件

4.1简介

4.1.1 GaAs/GaAsSb HBT材料的优点

4.1.2 GaAs/GaAsSb HBT的研究进展

4.2 GaAsSb外延层的生长

4.3 GaAsSb/GaAs HBT器件的初步研究

4.3.1 AlGaAs/GaAsSb/GaAs DHBT外延材料结构

4.3.1扫描电镜测试

4.3.2器件制备与直流特性

4.4小结

第五章结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录

致谢