InP基HBT的理论研究以及光接收机前端单片集成器件的制备

摘要

本论文的工作是围绕任晓敏教授承担的教育部高等学校博士学科点专项科研基金“基于RCE光探测器和HBT的单片集成(OEIC)高速光接收模块”(项目编号：20020013010)、任晓敏教授为首席科学家的国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”(项目编号：2003CB3 14900)等项目展开的。 InP基异质结双极晶体管(HBT)在光纤通信等领域具有极其广阔的应用前景，并且可以与光电探测器等光器件单片集成，因而深入系统地研究InP基HBT器件具有极其重要的意义。 本论文的工作主要是围绕着InP基HBT器件的理论研究、实验制备及其与PIN光电探测器的单片集成而展开的。现将本论文所包含的研究成果总结如下： (1)系统地研究并总结了HBT理论模型中常见物理量的计算，并结合已有文献资料总结出了InP与In<,0.53>Ga<,0.47>As材料的迁移率公式，这对InP基HtBT的各种理论仿真计算有着重要的作用； (2)研究了在大电流密度下发生Kirk效应时对InP基HBT直流特性和高频特性的影响，得出Kirk效应的发生会导致InP基HBT的直流增益和高频特性均变差。与此同时，研究了在发生Kirk效应后，在BC结B区侧产生的零电场区域厚度X<,S>对T<,b>、f<,T>与f<,max>的影响，并得出X<,S>,相对于X<,B>来说是不可忽略的，这对于基区厚度很薄而C区又很厚的情况时，在T<,b>的计算中，X<,S>所占的权重将会变得更加重要； (3)研究了InP基HBT的基区在非均匀掺杂情况下对其各性能参数的影响。首先研究了非均匀掺杂时在基区的内建场分布情况，并得出，在对基区进行非均匀掺杂时所产生的加速电场与减速电场当中，减速电场的场强大小相对加速电场来说是不可以忽略的。其次，研究了基区不同的掺杂曲线对T<,b>、f<,T>、f<,max>的影响，并得出，非均匀掺杂对InP/In<,0.53>Ga<,0.47>As HBT的性能参数．f<,T>的改善不是特别大。最后研究了由于掺杂工艺误差对T<,b>、f<,T>、f<,max>的影响，并得出在V<,BE>=0.64V。 (4)参与了InP基HBT、PIN--PD、光接收机前端单片OEIC三种器件的制备。经过测试得出：对于2μm尺寸型号的InP基HBT器件，其电流增益截止频率f<,T>为28GHz；对于入光面为22x22μm<'2>尺寸型号的PIN--PD器件，其高频响应带宽为16GHz；对于由以上两者组成的光接收机前端单片OEIC器件，其高频响应带宽为3GHz。

目录

文摘

英文文摘

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第一章HBT器件概述

1.1 HBT发展概况

1.2 HBT的原理机制及优越性

1.2.1 BJT的工作原理

1.2.2 HBT的工作原理

1.2.3 HBT的电流组成原理

1.2.4 HBT与场效应晶体管(FET)的比较

1.2.5 InP基HBT的优越性总结

1.3 HBT器件的性能参数

1.3.1截止频率fT和最高振荡频率fmax

1.3.2电流增益β

1.3.3开启电压

1.3.4击穿电压

1.4在HBT器件中所运用的材料体系及材料的主要生长技术

1.4.1在HBT器件中所运用的材料体系

1.4.2 HBT材料的主要生长技术

1.5制备HBT器件常用工艺

1.5.1自对准工艺

1.5.2空气桥工艺

1.5.3离子注入工艺

1.5.4聚酰亚胺平坦化工艺

1.5.5表面钝化处理工艺

第二章HBT的器件结构与理论模型

2.1 HBT器件的物理结构

2.2 HBT理论模型

2.2.1 InGaAs与InP材料的迁移率随掺杂浓度的变化关系

2.2.2 HBT理论模型中相关物理参量的计算

2.2.3集电区耗尽层渡越时间τsc的修正

2.2.4 InP基HBT理论模型中相关物理参量随不同偏压的变化关系

第三章Kirk效应对InP基HBT性能参数影响的分析

3.1 Kirk效应

3.2 Kirk效应对InP基HBT性能参数影响的分析

3.2.1 Kirk效应对基区空穴电流密度Jb影响的分析

3.2.2 Kirk效应对fT与fmax影响的分析

3.2.3 Kirk效应对电流增益β影响的分析

3.3发生Kirk效应后零电场的厚度Xs对InP基HBT性能参数影响的分析

3.3.1 Xs对τb影响的分析

3.3.2 Xs对fT影响的分析

3.3.3 Xs对fmax影响的分析

3.4本章小结

第四章基区非均匀掺杂对InP基HBT性能参数影响的分析

4.1基区非均匀掺杂时所产生的电场的分析

4.2基区非均匀掺杂时基区电子渡越时间τb的计算

4.2.1基区电子渡越时间τb的计算

4.2.2考虑电子在基区被加速的过程当中可能达到速率饱和时τb的计算

4.2.3τb对掺杂浓度误差的敏感度的计算

4.3不同的掺杂曲线对InP基HBT各参数的影响

4.3.1不同的掺杂曲线对τb的影响

4.3.2考虑Kirk效应后不同的掺杂曲线对τb的影响

4.3.3不同的掺杂曲线对fT的影响

4.3.4不同的掺杂曲线对fmax的影响

4.4掺杂工艺误差对InP基HBT各参数的影响

4.4.1掺杂工艺误差对τb的影响

4.4.2掺杂工艺误差对fT的影响

4.4.3掺杂工艺误差对fmax的影响

4.5本章小结

第五章InP基HBT与光电探测器的单片集成

5.1光电集成电路

5.2光电探测器的种类及其基本原理

5.2.1 PIN光电探测器

5.2.2 APD光电探测器

5.2.3 MSM光电探测器

5.2.4 RCE光电探测器

5.2.5 OMITMiC光电探测器

5.3 InP基HBT与PIN-PD单片集成器件的制备

5.3.1 InP基HBT与PIN-PD的共享层材料外延生成结构

5.3.2集电极用单电极与双电极工艺时对InP基HBT性能参数影响的分析

5.3.3 InP基HBT的实验制备工艺流程

5.3.4 InP基HBT的实验测试结果

5.3.5 PIN-PD与单片OEIC器件的实验测试结果

5.3.6实验结果分析

5.4本章小结

附录

参考文献

致谢