具有高频高压大电流优值的超结集电区SiGe HBT

金冬月，王 肖，张万荣，高光渤2，赵馨仪，郭燕玲，付 强

（1.北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100124；2.美国International Rectifier公司，加利福尼亚 90245）

具有高频高压大电流优值的超结集电区SiGe HBT

金冬月1，王 肖1，张万荣1，高光渤2，赵馨仪1，郭燕玲1，付 强1

（1.北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100124；2.美国International Rectifier公司，加利福尼亚 90245）

为了在兼顾特征频率（fT）和电流增益（β）的情况下有效提高器件的击穿电压（BVCBO/BVCEO），利用SILVACO TCAD建立了npn型超结集电区SiGe异质结双极晶体管（heterojunction bipolar transistor，HBT）的器件模型.研究表明:通过在集电结空间电荷区（collector-base space charge region，CB SCR）内引入p型超结层可有效降低“死区”内的电场强度，使较高的电场强度转移至“死区”外较深的CB SCR内，进而在几乎不增加CB SCR宽度的情况下抑制碰撞电离，达到提高击穿电压、改善fT和β的目的.随着p型超结层厚度（dp）的增加，击穿电压BVCBO和BVCEO的改善也越明显.但dp值需优化，较大的dp值将引发Kirk效应，大幅降低器件的fT和β.进一步通过优化p型超结层的dp值，设计出一款dp为0.2 μm且具有高频高压大电流优值（fT×BVCEO×β）的新型超结集电区SiGe HBT.结果表明:与传统SiGe HBT相比，新器件的fT×BVCEO×β优值改善高达35.5%，有效拓展了功率SiGe HBT的高压大电流工作范围.

SiGe异质结双极晶体管（HBT）；超结；击穿电压

SiGe异质结双极晶体管（heterojunction bipolar transistors，HBTs）在具有大电流增益、高厄尔利电压的同时，还具有优异的高频特性，现已广泛应用于移动电话、蓝牙、卫星导航、相控阵天线、汽车雷达等射频和微波电路中［1-3］.特别是随着第4代SiGe工艺的全面提升，SiGe HBT将在毫米波雷达、太赫兹成像和传感系统、100 Gbit/s高速通信系统等领域发挥越来越重要的作用［4-6］.通过不断优化SiGe HBT的横、纵向结构尺寸虽可显著提升频率特性，却不可避免地导致器件击穿电压的大幅降低（BVCBO＜6 V，BVCEO＜2 V）［7-9］，从而严重限制了高频系统的输出功率，影响射频系统的信噪比.

为改善器件的击穿电压，Chen［10］早在20世纪90年代就提出复合缓冲层，即超结结构，来解决“硅极限”问题.近期陈星弼院士课题组又展开了掺杂浓度分布可变的新型超结结构研究［11］.然而上述超结结构重点针对功率MOSFET进行设计，虽可借鉴到SiGe HBT的集电区设计中，但由于该超结结构与集电结呈垂直分布，在有效提高击穿电压的同时将显著增大集电结空间电荷区渡越时间（τscr），进而大幅退化器件的高频特性［12-13］.随后，一种与集电结平行的新型超结结构被提出用于设计微波功率SiGe HBT［14-15］.上述工作重点研究了超结结构掺杂浓度及其分布对击穿电压的影响，旨在牺牲较小特征频率（fT）的前提下改善器件的击穿特性，并没有研究超结结构对器件电流增益（β）的影响.然而，由“约翰逊极限”［16］可知，微波晶体管通常需要工作在较大的电流密度下，较大的电流增益还可用于折中基极电阻进而提高器件的高频特性［17］.因此，本文重点对同时具有高击穿电压、高特征频率和高电流增益的新型超结集电区SiGe HBT展开研究，通过优化设计超结层厚度，降低集电结及其附近的电场强度和电子温度，进而在几乎不扩展集电结空间电荷区宽度的情况下抑制碰撞电离，达到提高击穿电压、改善特征频率和电流增益的目的，最终设计出一款具有高频高压大电流优值（fT×BVCEO×β）的新型超结集电区SiGe HBT.本文研究工作对拓展SiGe HBT在微波大功率领域的应用具有重要的理论意义.

1　器件建模

本文采用商业半导体仿真工具SILVACO TCAD的二维工艺仿真器ATHENA建立了npn型超结集电区SiGe HBT器件模型，如图1所示.该模型通过在集电结（collector-base，CB）空间电荷区（spacecharge region，SCR）内引入反向掺杂的p型超结层来形成新型的超结集电区结构，其中n-集电区的杂质浓度NC为1×1016cm-3，p型超结层的杂质浓度Np为2×1016cm-3，厚度dp为0.1 μm.超结集电区SiGe HBT的杂质浓度分布如图2所示.为便于比较，本文还建立了传统SiGe HBT的器件模型，除集电区外，其他的杂质浓度分布均保持一致.进一步利用二维器件仿真器ATLAS对器件的电学特性进行仿真，其中加入了 Selberherr碰撞电离模型（selb）、能量平衡传输模型（hcte）、迁移率受杂质浓度影响模型（conmob）、迁移率受电场影响模型（fldmob）、与浓度和温度有关的迁移率模型（analytic）、禁带变窄模型（bgn），同时还加入了SRH复合模型、俄歇复合模型（auger）以及依赖于杂质浓度的载流子寿命模型（consrh）.

2　模拟和分析

基于上述器件模型，本文模拟得到npn型超结集电区SiGe HBT（HBT-2）的电场强度（E）和电子温度（Tn）分布，并与传统SiGe HBT（HBT-1）进行了比较，如图3所示.考虑非本征碰撞电离效应的影响，当电子从发射区注入到CB SCR边界后，将在位于集电结峰值电场和峰值电子温度之间“死区”内电场的作用下不断加速，使得Tn越来越高，当Tn所对应的电子动能达到电子电离的临界能时，就会触发碰撞电离，导致器件发生雪崩击穿［18］.可见，碰撞电离与“死区”内的电场分布有关，在“死区”外侧的集电区内的电场强度即使再增大，也不会对CB SCR内的碰撞电离产生影响.因此，从提高器件击穿电压的角度出发，一方面需要降低“死区”内的电场强度，另一方面需要将高电场适当转移至较深的CB SCR内.

从图3可以看出，与HBT-1相比，HBT-2的集电结峰值电场降低了25.9 kV/cm，峰值电子温度降低了678.4 K，且HBT-2具有更为平缓的集电区电场分布.这是因为对于HBT-2来说，一方面由于p型超结层与靠近基区侧的n-型集电区的相互耗尽，将产生与集电结电场方向相反的少子减速电场，从而降低了“死区”内的电场强度；另一方面p型超结层与靠近n+衬底侧的n-型集电区的相互耗尽，将产生与集电结电场方向相同的少子加速电场，从而使电场强度在较深的CB SCR内有所升高.进一步给出了上述2种器件集电极电流（IC）随集电结电压（VCB）的变化关系曲线，如图4所示.可以看出，与HBT-1相比，HBT-2的BVCBO提高了5.0 V，改善达9.5%.

根据能量平衡传输模型，电子的碰撞电离率αn可表示为［19］

式中:a、b为拟合参数；Eeff，n为有效电场强度.

考虑到非本征碰撞电离效应的影响，Eeff，n可表示为［19］

式中c为电子饱和速度与其能量弛豫时间的乘积.

从式（1）（2）可以看出αn与Tn呈e指数关系.进一步给出2种SiGe HBTs电子碰撞电离率分布，如图5所示.与HBT-1相比，随着Tn的降低，HBT-2的峰值αn从154.1 cm-1减小为36.9 cm-1，即有效减少了单位距离内因碰撞而产生的载流子数量，从而有利于提高器件的击穿电压BVCEO.

图6给出了上述2种器件基极电流（IB）随集电极-发射极间电压（VCE）变化关系曲线.可以看出，与HBT-1相比，HBT-2的BVCEO提高了3.5 V，改善高达31.8%.

此外，还给出了上述2种器件fT和β随IC的变化关系曲线，如图7所示.可以看出，与HBT-1相比，HBT-2的峰值fT仅下降了1.8%.这是由于p型超结层的引入，使得CB SCR宽度仅略微增加，相应增大了CB SCR的渡越时间τscr，进而导致器件频率特性的轻微退化.同时，与HBT-1相比，HBT-2的峰值β仅下降了3.6%，仍保持了较高的电流处理能力.

由“约翰逊极限”［16］可知，fT×BVCEO×β优值常用来表征功率晶体管的高频高压大电流特性.本文提出的在集电区引入p型超结层的HBT-2可在牺牲很少fT和β（＜4.0%）的情况下有效提高器件的击穿电压.本文将进一步通过优化p型超结层厚度来提高器件的fT×BVCEO×β优值.

图8给出了具有不同p型超结层厚度的SiGe HBTs在一定偏置状态下的电场分布曲线，其中不同p型超结层厚度的SiGe HBTs的杂质浓度分布如图9所示.可以看出，随着dp的增加，靠近基区侧的集电结峰值电场逐渐降低，而靠近n+衬底侧较深CB SCR内的电场分布则逐渐升高.当dp增大为0.2 μm （HBT-3）时，在整个CB SCR内器件具有最低的峰值电场，此时集电区电场分布趋于平缓，有利于器件承受更高的击穿电压.当 dp继续增大为0.5 μm （HBT-4）时，虽然靠近基区侧的集电结电场进一步降低，即BVCBO进一步提高，但器件的集电结峰值电场已经完全移至深CB SCR内，这将引发Kirk效应［20］，进而显著降低器件的电流增益和特征频率.

图10给出了上述4种器件IC随VCB的变化关系曲线.可以看出，随着dp的增加，器件BVCBO的改善也越显著.与HBT-1相比，HBT-2、HBT-3和HBT-4的BVCBO分别提高了5.0、9.9、20.1 V，改善分别达9.5%、18.9%、38.3%.

图11给出了上述4种器件在相同偏置状态下的电子温度分布曲线.可以看出，随着dp的增加，靠近基区侧的峰值电子温度逐渐降低，而靠近n+衬底侧较深CB SCR内的电子温度则逐渐升高.当dp增大为0.2 μm时，在整个CB SCR内器件具有最低的峰值电子温度，此时集电区电子温度分布趋于平缓. 当dP继续增大为0.5 μm时，峰值电子温度已经完全移至深CB SCR内.进一步给出上述4种器件的电子碰撞电离率分布曲线，如图12所示.随着dp的增加，位于“死区”内的αn相应减小，且当dp超过0.2 μm后，峰值αn已减小为3.5 cm-1，再通过增大dp来减小αn意义不大.

相应地，上述4种器件IB随VCE的变化关系曲线如图13所示.可以看出，随着dp的增加，器件BVCEO的改善也越显著，当dp超过0.2 μm后，由于峰值αn已几乎不变，因此器件BVCEO的改善幅度也将达到最大.与HBT-1相比，HBT-2、HBT-3和HBT-4 的BVCEO分别提高了3.5、7.5、7.5 V，改善分别达31.8%、68.2%、68.2%.

此外，还给出了上述4种器件的fT和β随IC的变化关系曲线，分别如图14、15所示.可以看出，随着dP的增加，器件的峰值fT和峰值β均有不同程度的下降.当dp增大为0.2 μm时，器件在提高击穿电压的同时仍保持了较高的fT和β.而当dp继续增大为0.5 μm时，由于引发Kirk效应，使CB SCR大幅展宽，从而使fT和β大幅下降.

最后，对上述4种器件的主要性能参数（包括BVCBO、BVCEO、fT、β和fT×BVCEO×β优值）进行了汇总，如表1所示.可以看出，随着dp的增加，器件的fT×BVCEO×β优值呈现先增大后减小的趋势.其中，当dp增大为0.2 μm（HBT-3）时，在整个 CB SCR内器件具有最低的峰值电场，此时集电区电场分布趋于平缓，峰值αn已减小为3.5 cm-1，因此器件的fT×BVCEO×β优值最高，达到89 355 GHz·V，与HBT-1相比，优值改善高达35.5%，这将有效拓展微波功率SiGe HBT的高压大电流工作范围.

表1　4种SiGe HBTs的主要性能参数Table 1 Main performance parameters of the four types of SiGe HBTs

3　结论

1）为改善微波功率SiGe HBT的高频高压大电流特性，本文通过在集电结空间电荷区（CB SCR）内引入p型超结层，开展了一种与集电结平行的新型超结集电区结构设计研究.研究表明，由于引入的p型超结层与相邻n-型集电区相互耗尽，将在靠近基区侧的“死区”内引入少子减速电场来有效降低集电结峰值电场强度，同时在靠近n+衬底侧较深CB SCR内引入少子加速电场来改善电场分布，进而在略微增加CB SCR宽度的情况下抑制碰撞电离，提高器件的击穿电压.与传统SiGe HBT相比，dp为0.1 μm的器件的BVCBO和BVCEO分别改善了9.5% 和31.8%，且fT和β的下降幅度很小（＜4.0%）.

2）进一步通过优化dp来提高器件的高频高压大电流优值（fT×BVCEO×β）.结果表明，随着dp的增加，对击穿电压的改善也越显著，当dp增大为0.2 μm时，器件在整个CB SCR内具有最低的峰值电场，此时集电区电场分布趋于平缓，峰值αn已减小为3.5 cm-1，具有最高的fT×BVCEO×β优值，达到89 355 GHz·V，与传统SiGe HBT相比，优值改善高达35.5%.

3）随着dp的进一步增大，集电结峰值电场将移至深CB SCR内，引发Kirk效应，使CB SCR大幅展宽，进而显著降低器件的fT和β，fT×BVCEO×β优值将随之大幅降低.

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（责任编辑 吕小红）

Superjunction Collector SiGe HBT With Figure of Merit of High Frequency High Voltage and High Current

JIN Dongyue1，WANG Xiao1，ZHANG Wanrong1，GAO Guangbo2，ZHAO Xinyi1，GUO Yanling1，FU Qiang1
（1.College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.International Rectifier Corporation，California 90245，USA）

To enhance the breakdown voltages（BVCBO/BVCEO）at a fixed cutoff frequency（fT）and current gain（β），a model of npn SiGe heterojunction bipolar transistor（HBT）with superjunction collector was established by SILVACO TCAD.The research shows that the p-type superjunction layer inside the collector-base（CB）space charge region（SCR）lowers the electric field in the“dead space region”，and shifts the part of the high electric field somehow deep into the CB SCR which is located at the outside of the“dead space region”.As a result，impact ionization is suppressed，whereas the width of the CB SCR is slightly increased，and hence the breakdown voltages are improved at a minor expense of fTand β.As the increase of the thickness of p-type superjunction layer（dp），the breakdown voltages including BVCBOand BVCEOare improved more obviously.However，dpalso needs to be optimized，considering that larger dpwould lead to Kirk effect and give rise to a dramatic decrease of fTand β. Furthermore，the value of dpin p-type superjunction layer is optimized as 0.2 μm for a novel superjuctioncollector SiGe HBT with figure of merit of high frequency high voltage and high current（fT×BVCEO×β）. Compared with the conventional SiGe HBT，the figure of merit of fT×BVCEO×β for the novel device is markedly improved by 35.5%，which effectively develops the high voltage and high current application of power SiGe HBT.

SiGe heterojunction bipolar transistor（HBT）；superjunction；breakdown voltage

TN 385

A

0254-0037（2016）07-0994-07

10.11936/bjutxb2015120055

2015-12-23

中国博士后科学基金资助项目（2015M580951）；北京市博士后科学基金资助项目（2015ZZ-11）

金冬月（1980—），女，副教授，主要从事异质结器件和半导体功率器件方面的研究，E-mail:dyjin@bjut.edu.cn