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锗硅异质结晶体管及其微波低噪声放大器技术研究

作 者: 贾素梅
导 师: 杨瑞霞
学 校: 河北工业大学
专 业: 微电子学与固体电子学
关键词: 锗硅异质结晶体管 低噪声放大器 SiGe材料物理参数 常压化学气相淀积 发射区台面自终止腐蚀 金属硅化物
分类号: TN32
类 型: 博士论文
年 份: 2013年
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内容摘要


近年来,移动通信、雷达、GPS及高速数据处理系统的迅猛发展大大刺激了市场对高性能半导体器件的需求,高频、低压、低功耗、低噪声、小体积、多功能、低价格成为半导体器件的发展方向。而与硅和Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体器件相比,以能带工程为理论基础的SiGe技术产品以更高的性价比迎合了市场的发展需求,成为国内外的热门研究领域。国外对SiGe技术的研究已有多年,且集中于大公司的研发部门,如IBM公司一直是SiGe技术的领跑者,其大量产品已投入市场。国内起步较晚,研究工作主要集中于高校,研究内容也偏重于理论,对SiGe产品的开发受工艺条件限制进展较慢。鉴于此,选择低成本、可实现量产的SiGe HBT及其低噪声放大器为研究对象,以中国电子科技集团公司第十三研究所硅芯片工艺部和硅设计应用部0.6μm工艺线为研究平台,开展了对实用SiGeHBT及以其为基础的低噪声放大器研究。1)讨论了SiGe合金材料特性,包括临界厚度、迁移率、禁带宽度、介电常数、有效态密度、重掺杂禁带变窄效应、本征载流子浓度等,并对SiGe HBT的直流特性和交流特性进行了理论分析。2)根据SiGe HBT电学参数要求,基于器件异质结构与实际工艺条件,设计了SiGe HBT的横、纵向结构参数,根据设计结构参数对SiGe HBT的特征频率和最大电流增益进行了理论计算,计算得到fT为16.9GHz,最大电流增益β=103。3)将APCVD SiGe外延技术,发射区台面自终止腐蚀技术,多晶硅磷掺杂及退火技术,铂硅金属硅化物制作技术有机结合起来,开发了一套多晶硅发射极台面SiGe HBT的制作工艺。基于该工艺制作的器件常温下测得β为70,集电极电流25mA下发射结正向导通电压VBEF=0.85V,发射极开路下集电极与基极反向击穿电压BVCBO=25V,最高截止频率为11.2GHz,在1GHz下最小噪声系数为1.54dB,相关功率增益达13.86dB。4)将SiGe HBT的管壳用等效电路表示,采用微波仿真软件Microwave Office提取了晶体管管芯S参数。5)采用制备的SiGe HBT作为有源器件,设计了一款两级级联低噪声放大器,在发射极上并联电容平衡了带宽内增益平坦度与电路噪声性能之间的关系。仿真结果表明:传输增益S21在0~2GHz内达到20dB以上,增益平坦度控制在1dB以内,噪声系数在02GHz频段内小于2.5dB,并在整个频带内稳定性系数大于1。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
符号说明  11-15
第一章 绪论  15-26
  §1-1 SiGe 材料特性与薄膜外延  15-18
  §1-2 SiGe HBT 器件的研究进展  18-23
  §1-3 SiGe 低噪声放大器的研究进展  23-24
  §1-4 本论文的主要内容  24-26
第二章 SiGe HBT 器件理论基础  26-41
  §2-1 SiGe 材料物理参数  26-31
    2-1-1 SiGe 层临界厚度  26-27
    2-1-2 应变 SiGe 载流子迁移率  27-28
    2-1-3 SiGe 禁带宽度  28-29
    2-1-4 SiGe 介电常数  29-30
    2-1-5 SiGe 有效态密度  30-31
    2-1-6 SiGe 重掺杂禁带变窄效应  31
    2-1-7 SiGe 本征载流子浓度  31
  §2-2 SiGe HBT 基本工作原理  31-33
  §2-3 SiGe HBT 器件直流电流特性  33-38
    2-3-1 集电极电流  33-35
      2-3-1-1 小电流下的集电极电流密度  33-34
      2-3-1-2 大电流下的集电极电流密度  34-35
    2-3-2 空穴反注入电流密度  35
    2-3-3 基区复合电流  35-36
      2-3-3-1 小电流下的中性基区复合电流  35-36
      2-3-3-2 基区扩展时的中性基区复合电流  36
    2-3-4 空间电荷区 SRH 复合电流  36-37
    2-3-5 空间电荷区带间俄歇复合电流  37-38
  §2-4 SiGe HBT 器件频率特性  38-41
    2-4-1 特征频率 f_T  38-39
      2-4-1-1 发射极延迟时间τ_e  38
      2-4-1-2 基区渡越时间τ_b  38-39
      2-4-1-3 集电结势垒区渡越时间τ_d与集电极延迟时间τ_c  39
    2-4-2 最高振荡频率 f_(max)  39-41
第三章 SiGe HBT 器件设计  41-50
  §3-1 SiGe HBT 图形结构设计  41-42
  §3-2 SiGe HBT 横向结构设计  42-45
    3-2-1 发射极总周长 L_E 的选取  42-43
    3-2-2 发射极条宽度 Se 的选取  43-44
    3-2-3 发射极条长度 Le 的选取  44
    3-2-4 发射极条数的选取  44
    3-2-5 发射极条间距 Sd 的选取  44-45
  §3-3 SiGe HBT 纵向结构设计  45-46
    3-3-1 发射区设计  45
    3-3-2 集电区设计  45
    3-3-3 基区设计  45-46
  §3-4 SiGe HBT 主要参数的核算  46-50
    3-4-1 SiGe HBT 电流增益  47
    3-4-2 SiGe HBT 特征频率  47-50
      3-4-2-1 发射极延迟时间τ_e的计算  47-48
      3-4-2-2 载流子基区渡越时间τ_b的计算  48
      3-4-2-3 载流子集电区空间电荷区渡越时间τ_d的计算  48-49
      3-4-2-4 载流子集电区延迟时间τ_c的计算  49-50
第四章 SiGe HBT 器件制备  50-67
  §4-1 SiGe HBT 制备工艺流程  50-53
    4-1-1 SiGe HBT 制备工艺流程设计  50-51
    4-1-2 SiGe HBT 版图设计  51-53
  §4-2 SiGe HBT 制备关键工艺  53-65
    4-2-1 SiGe 基区外延  53-58
      4-2-1-1 外延工艺参数的确定  53-57
      4-2-1-2 外延结果与分析  57-58
    4-2-2 发射区台面自终止腐蚀  58-62
      4-2-2-1 自终止腐蚀化学反应原理  58-59
      4-2-2-2 自终止腐蚀条件的选择  59-62
    4-2-3 多晶硅 N 型杂质掺杂及退火的选择  62-63
    4-2-4 金属硅化物选择与制作  63-65
  §4-3 SiGe HBT 器件研制结果  65-67
第五章 SiGe HBT 器件性能测试与分析  67-75
  §5-1 SiGe HBT 器件直流参数测试  67-70
  §5-2 SiGe HBT 器件交流参数与噪声参数测试  70-75
第六章 SiGe HBT 器件管芯 S 参数的提取  75-83
  §6-1 SiGe HBT 器件 S 参数的测量  75-77
    6-1-1 S 参数测试设备介绍  75
    6-1-2 S 参数测试结果  75-77
  §6-2 SiGe HBT 管芯 S 参数的提取  77-83
    6-2-1 管芯 S 参数提取原理  77-80
      6-2-1-1 管壳等效电路的建立  78-80
      6-2-1-2 键合线等效电路参数提取  80
    6-2-2 管芯 S 参数提取结果  80-82
    6-2-3 SiGe HBT S 参数仿真结果  82-83
第七章 SiGe 微波低噪声放大器的设计与仿真  83-94
  §7-1 微波低噪声放大器电路设计基本理论  83-87
    7-1-1 两种常用微波低噪声放大器电路结构  83
    7-1-2 放大器负反馈理论  83-86
    7-1-3 多级放大器  86-87
      7-1-3-1 极间耦合  86
      7-1-3-2 多级放大器的高频响应  86-87
      7-1-3-3 多级放大器的噪声  87
  §7-2 微波低噪声放大器电路仿真与结果分析  87-94
    7-2-1 SiGe HBT 器件模型及仿真指标  87-89
    7-2-2 微波低噪声放大器电路结构设计  89-92
    7-2-3 微波低噪声放大器电路仿真结果与分析  92-94
第八章 结论  94-96
参考文献  96-103
致谢  103-104
攻读学位期间所取得的相关科研成果  104

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 半导体三极管(晶体管)
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