SiGe半导体在微电子技术发展中的重要作用

龙炬泉

摘要：半导体技术的发展与进步是实现集成电路的关键，推动着电子产品的微型化以及高性能化发展。本文将对SiGe半导体在微电子技术发展中的应用进行探讨，研究其对于微电子行业的重要作用。

关键词：SiGe半导体;微电子技术;场效应晶体管

中图分类号：TN304 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）05-0225-01

0 引言

在半导体行业发展初期，以仙童半导体为主要代表的硅谷半导体企业都着重研究硅（Si）的半导体性能以及其在晶体管、集成电路中的有效应用。从Si技术中衍生而来的SiGe半导体得到了有效的开发利用，SiGe半导体是将硅片的性能进行了改变，采用的手段多为能带工程以及应力工程等，在使用过程中满足硅半导体通用的易加工特点，应用前景广泛，在微电子技术领域尤其是集成电路中能够发挥出重要价值。

1 SiGe半导体在双极性晶体管中的应用

1.1 双极性晶体管介绍

双极性晶体管指的是在源漏电极沟道内既可以通过电子传输也可以进行空穴传输的晶体管，通常而言，这类晶体管的功耗大且工作频率高、噪声小，在高频模拟电路中有着重要的应用价值。但是，双极性晶体管由于半导体材料的限制，在应用到高频模拟电路中时存在着一系列问题，很难保证信号传输的超高频和超高速，这是因为双极性晶体管本身就存在着很多固有的限制，同时，由于双极性晶体管在提高基区掺杂浓度以及基区宽度方面有很大的技术限制，使得基极电阻做不到极低的程度，这也使得BJT达不到高频模拟电路关于低噪声的要求[1]。

为了提高双极性晶体管BJT在高频模拟电路中的应用，科学家提出异质结双极性晶体管来克服原有晶体管的问题。异质结双极性晶体管HBT采用的半导体材料其禁带宽度通常较大，要在基区禁带宽度之上，因此在使用时可以采用异质结发射的方式工作。与BJT相比，异质结的采用使得HBT能够保持较高的发射结注射速率，并且在此前提下使得基区掺杂浓度提高，发射区掺杂浓度降低，如此便可实现对器件基区宽度的调整效应的减弱，在器件工作时，基极电阻减小并且发射结势垒电容降低、基区渡越时间也能够更好的控制，有效实现了超高频、超高速以及低噪声的高频模拟电路工作要求。

1.2 基于SiGe半导体的异质结双极性晶体管

SiGe半导体主要用于HBT中基区材料使用，而发射区用的半导体材料选择Si，因此基于SiGe半导体的HBT内部存在着Si/SiGe异质结。这是因为Si本身具备与Ge相似的电子亲和能，因此Si/SiGe异质结的导带第能量突变值就很小甚至可以忽略不计，在Si/SiGe异质结中可以通过禁带宽度之间的差异构筑额外空穴势垒，这一空穴势垒的存在使得空穴无法从SiGe传输到Si中，与此相反能够使得Si/SiGe异质结注入电子的效率大大提升。因此，Si/SiGe异质结可以有效应用到n-p-n型异质结双极性晶体管的发射区，使得晶体管的电流放大系数大大提升，同时这一电流放大系数基本不受发射结两边掺杂浓度的影响[2]。

与砷化镓等化合物半导体相比，SiGe半导体应用到异质结双极性晶体管中有很多优势。首先，SiGe半导体是基于硅半导体衍生而来的，因此无论是加工手段还是制作成本控制都十分成熟，制作集成电路时也更加便捷;其次，由于SiGe半导体在应用时产生了异质结，因此在采取各种措施时不必过多的考虑电流放大系数因素的影响，在工作过程中更为有效的提升电流输出频率和速率，保证在应用到高频模拟电路时的高频、高速、低噪声;而且，这类晶体管基区的Ge分布是不均匀的，这有利于漂移电场的产生，使得载流子渡越基区构筑更加快速，这就使得基于SiGe半导体的HBT截止频率和最高震荡频率都较高，在应用到射频技术时也能够发挥重要价值;最后，与砷化镓相比，基于SiGe半导体的HBT击穿电压更低，在应用到高频小功率器件中也能够发挥作用。

1.3 n-p-n型SiGe-HBT的制作

异质发射结的制作是这类晶体管制作中首先需要关注的问题，由于硅材料和Ge材料在晶格常数方面存在较大的差异，因此在实际制作过程中难以制备出晶格完整的异质结，在异质结界面往往存在着很多晶格的失配位错，这样的失配位错难以应用到异质结晶体管以及谐振隧穿二极管和超晶格器件中。在制备Si/SiGe异质结时采用最多的技术为外延技术，这一技术可以通过生长膜厚的控制实现SiGe和Si之间的弹性调节从而避免失配位错的出现。但要注意在制备Si/SiGe异质结时需要控制膜的厚度使得其在临界厚度之下，一旦超过临界厚度就会发生晶格弛豫，导致生长出的膜为赝晶膜，基极电流因此增加，应用性降低[3]。另外，还需要在制备过程中 注意 SiGe基区中可能出现的问题，主要集中在Ge组分的分布形式以及基区中其他杂质如硼的外扩散控制。器件在大的注入电流下可能发生基区扩展效应，而这一现象可以通过控制SiGe中的Ge组分分布来有效控制，并且维持截止频率和最大震荡频率在最高水平。而对于外扩散现象需要进行注意，这一现象的发生可能会导致pn结位置的变化，这对于器件整体的迁移率或者开关比都会有较大的影响，在制作器件时需要对基区结构加以优化，使得集电结处的本证SiGe在原有的基础上厚底适当增大并且掺杂硼基区厚度适当减小，这样就能控制集电结更多的分布于Ge足跟较高的区域，保证器件性能。

2 SiGe半导体在场效应晶体管中的应用

基于SiGe半导体进行了一系列场效应晶体管的研究，其中当前应用最为广泛以及研究最为深入的属于应变SiGe异质结场效应晶体管。作为第二代SiGe-MOS器件，能够充分利用SiGe能带工程来实现对带隙以及晶格常数的调控，实现了掺杂工程与应变工程的结合。这类场效应晶体管采用的沟道为二维电子气和二维空穴气的应变沟道，使得载流子迁移率大大提高，已经超过了2000cm2/V.s。对于n型器件即电子传输的场效应晶体管而言，采用Si1-xGex作为虚拟衬底生长应变沟道，这样就可以使得量子沟道深度通过Ge组分的增加而进行调控，并且在沟道中可以适当的进行p型或者n型掺杂，达到想要的阈值电压调控。对于p型即空穴传输的晶体管而言，构筑压应变的Si1-xGex，该沟道在Si衬底上进行生长。当前，基于GeSi的应变场效应晶体管得到了良好的发展并且使得载流子迁移率以及阈值电压等都能够有效控制，可以在诸多场合使用，实现高速、高跨导、低噪声以及高线性度的集成电路应用。

3 结语

综上所述，SiGe材料对于完善半导体材料体系以及增强双极性晶体管以及场效应晶体管等方面有着重要的作用，是继单晶硅材料、砷化镓之后又一具备良好应用前景的材料，在集成电路领域能够得到有效应用，推动微电子技术领域的进一步发展。

参考文献

[1] 马羽，王志宽，崔伟.SiGe集成电路工艺技术現状及发展趋势[J].微电子学，2018（4）：508-514.

[2] 潘柏臣，张保国，赵帅，等.用于最新技术节点Ge和SiGe的CMP技术研究进展[J].微纳电子技术，2016（9）：623-629.

[3] 南超州.基于SiGe工艺的射频前端高性能模块设计[D].浙江大学，2012.