微波功率晶体管增益-频率研究

刘秋妤，李 媛

（渤海大学新能源学院，锦州121013）

1 引 言

近些年来，伴随着技术的不断发展，很多优质并且价格优惠的微波晶体管不断出现，从分立器件到MMIC，这些微波晶体管被广泛应用到通信、遥测、雷达、导航、生物医学、电子对抗、人造卫星、宇宙飞船等各个领域[1-3]。在实际应用中，由于设备和电路的差异，对晶体管特性的要求也各不相同，除直流特性以外，其他特性可能只对其中的某几项做出要求，比如：尽可能提高工作频率、增大输出功率、降低噪声、提高开关速度、提高可靠性和降低成本等。从工艺设计角度来看，不同特性之间存在着相互制约的关系，所以在设计时就要为了某个主要特性牺牲一些次要特性，寻求平衡的方案。基于此，针对影响微波晶体管特征频率fT与电流放大倍数β 的各个因素进行仿真研究，尝试调节双极型硅微波晶体管的衬底浓度，基区、N+区、P+区离子注入和材料参数中的载流子寿命等因素使之达到对器件功能的最优组合。

2 器件结构及相关工艺的选择

硅微波晶体管具有芯片面积小、电流容量大、特征频率高等特点。此类器件芯片在设计和制造上的难点主要有两点：一是在较小的芯片面积上，所设计的发射区条宽、发射区周长以及各区掺杂浓度、结深等参数如何满足产品电流容量、大电流直流增益及饱和压降等的要求；二是芯片结构参数设计及外延层质量的控制如何做到同时满足低饱和压降、集射击穿电压、特征频率及开关时间的要求。

双极型硅微波晶体管器件结构如图1 所示。对其基本结构参数及工艺参数的选取有如下考虑[4-6]：

晶体管单元宽度（相邻基极中点之间的距离）为0.8μm；对于硅微波晶体管，着重考虑其频率特性和电流容量，因此外延层厚度较薄，掺杂浓度较高，因此，取N 型外延层厚度为1μm，外延层砷掺杂浓度为2×1016cm-3，外延层少子寿命为5μs；为制备薄基区，基区杂质注入剂量和注入能量较低，工作基区硼注入能量为18keV，注入剂量为2.5×1013cm-2；为消除离子注入对硅的晶格损伤，采用退火处理，工作基区退火时间为60min，退火温度为920℃；晶体管工作基区表面浓度为4×1018cm-3，工作基区结深为0.29μm。

为同时提高硅微波晶体管的截止频率并改善基区电阻自偏压效应，硅微波晶体管采用多晶硅发射极结构。多晶硅发射极厚度为0.3μm，多晶硅发射极宽度为0.4μm。

为降低多晶硅与金属电极的接触电阻并调整多晶硅功函数，对多晶硅进行砷掺杂，砷注入剂量为7.5×1015cm-2，注入能量为50keV。

为降低多晶硅及硅材料中的温度诱生缺陷，采用低温退火工艺。在干氧气氛中退火25min，温度为920℃；随后在氮气中退火50min，温度为900℃，形成发射区结深为0.079μm，发射区表面浓度为1.8×1020cm-3，多晶硅峰值浓度为5×1019cm-3。

采用大面积二次注硼，实现发射区与基极之间硼的横向变掺杂，利用内建电场增强少子的输运，降低少子复合损耗。二次硼注入剂量为2.5×1013cm-2，注入能量为18keV。

淀积侧墙氧化层，氧化层厚度为0.4μm；干法刻蚀氧化层，刻蚀氧化层厚度为0.5μm。基极接触区域硼注入（三次硼注入），注入剂量为1×1015cm-2，注入能量为30keV。退火时间为60min，温度为900℃，氮气气氛。

基极接触区硼表面浓度为3.5×1019cm-3。金属电极厚度为0.05μm。

图1 双极型硅微波晶体管结构

3 器件仿真及结果分析

仿真在基于上述结构及工艺设计下进行，环境温度设定为27℃（300K）。在对生成器件结构的电性能的仿真中，针对特征频率测试和电流放大倍数的测试，设定集电极偏压为2V，基极偏压在0.2~0.9V范围内扫描，步进电压为0.05V，基频为1MHz。在仿真过程中考虑了硅材料载流子迁移率受硅材料掺杂浓度、电场的影响，载流子的SRH 复合损耗受到硅材料掺杂浓度的影响，载流子复合损耗同时受到俄歇复合的影响；另外还考虑了fermi 载流子统计分布模型。

声子跃迁发生在半导体禁带的一个陷阱（或缺陷）中，实际上是一个两步的过程，先是由Shockley导出，其后又有Hall 进行推导，从而得出Shockley-Read-Hall 复合模型[7-8]：

ETRAP 是陷阱能级和固有费米能级之间的差值，TL是晶格的开氏温度，TAUN0和TAUP0是SRH复合电子和空穴的寿命。

特征频率fT的定义是电流放大倍数β 值降为1时的晶体管工作频率。它是表征高频晶体管放大能力的一个参量。对于双极型晶体管而言，也被称为增益带宽积[9]。

分贝是放大器增益的单位，当放大倍数用分贝来表示时，就被称之为增益。放大倍数与增益是同一概念的两种称呼。三极管的放大倍数也被称为三极管的电流分配系数，通常用希腊字母β 表示。β 的计算方式为漂移到集电区的电子数或其变化量与在基区复合的电子数或其变化量之比[10]。

图2 为衬底掺杂浓度对双极型硅微波晶体管电流放大倍数β 和特征频率fT的影响。由图可见，随着外延层掺杂浓度的增大，β 先减小后增大，而fT一直增大。当外延层掺杂浓度较低时，随着外延层掺杂浓度的增大，外延层少子寿命随之减小，导致少子电流复合损耗增大，从而使得电流放大倍数随着外延层掺杂浓度的增大而减小。

当外延层掺杂浓度较高时，集电区电导调制效应减弱，集电极电流增大，从而使得电流放大倍数随着外延层掺杂浓度的增大而增大。随着外延层掺杂浓度的增大，对集电结势垒电容和发射结势垒电容充放电电流增大，导致晶体管特征频率随着外延层掺杂浓度的增大而增大。对于下一步工艺来说，增大衬底浓度使得载流子浓度减小，载流子寿命也减小，所以fT一直增大。若衬底浓度较小，器件整体结构不受影响；衬底浓度过大时，就会影响器件基区浓度，从而影响禁带宽度。衬底浓度过大，就改变了晶体管结构，使放大倍数减小。所以放大倍数先减小，之后又增大。

图2 不同衬底浓度下fT 与β 曲线

图3 为基区注入离子浓度对双极型硅微波晶体管电流放大倍数β 及特征频率fT的影响。由图可见，注入离子浓度越大，fT与β 越小；注入离子浓度越小，fT与β 越大。随着基区硼离子注入剂量的增大，基区输运系数降低，从而导致电流放大倍数随着基区注入剂量的增大而减小。仿真中器件衬底为砷，浓度为2×1016cm-3。当注入硼时，形成P 型基区，改变一侧掺杂浓度就相当于改变了基区宽度。增大掺杂浓度时，就会增大基区厚度。基区厚度增大，载流子所需渡越时间也增大，电流损耗就大。所以注入浓度越高，特征频率以及放大倍数越小，呈现如图3 所示变化。

图3 不同基区注入离子浓度下fT与β 曲线

图4 为不同N+区注入离子浓度对双极型硅微波晶体管电流放大倍数β 和特征频率fT的影响。由图可见，多晶硅注入离子剂量越大，fT与β 越大；增大多晶硅注入剂量就是增加了N+区浓度，增大了埋层与N+区之间的浓度差，相当于增加了重掺杂一侧浓度，结深增大。随着发射区注入剂量的增大，发射区注射效率增大，从而导致电流放大倍数随着发射区注入剂量的增大而增大。同时，因为多晶硅中离子是通过扩散的方式进入到衬底，形成N+区的，所以改变扩散时间与温度也会改变N+区浓度。温度不变，扩散时间越长，N+区浓度越大。放大倍数与特征频率越大，扩散时间越短，N+区浓度越小，放大倍数与特征频率越小。扩散时间不变，温度越高，N+区浓度越大，放大倍数与增益频率乘积越大，温度越低，N+区越小，放大倍数与特征频率越小。

图4 不同N+区注入离子浓度下fT 与β 曲线

图5 为P+区注入离子浓度对双极型硅微波晶体管电流放大倍数β 和特征频率fT的影响。由图可见，随着P+区硼离子注入剂量的增大，β 先增大后减小，fT一直减小。P+区硼离子注入剂量的增大，导致集电结及发射结空间电荷区变窄（在特征频率测试中集电极施加偏压的情况下），导致集电结和发射结势垒电容增大，势垒电容充放电时间加长，从而使得晶体管特征频率随着P+区硼离子注入剂量的增大而降低。另外增大注入硼浓度，增大了P+区离子浓度，使得基区厚度增大，所以fT减小。在P+区硼离子注入剂量较低时，随着P+区硼离子注入剂量的增大，在一定程度上增强了基区自建电场，导致基区输运系数随之增大，进而使得电流放大倍数随着P+区硼离子注入剂量的增大而增大。在P+区硼离子注入剂量较高时，随着P+区硼离子注入剂量的增大，导致发射区注射效率降低，从而使得电流放大倍数随着P+区硼离子注入剂量的增大而减小。当增大注入浓度使N+区离子浓度减小，发射极电流会先增大后减小，所以放大倍数先增大后减小。

图5 不同P+区注入离子浓度下fT 与β 曲线

图6 为SRH 复合的电子寿命及空穴寿命对双极型硅微波晶体管电流放大倍数fT和特征频率β的影响。由图可见，β 随SRH 复合的电子寿命和SRH 复合的空穴寿命逐渐增大，fT随SRH 复合的电子寿命和SRH 复合的空穴寿命逐渐减小，减小的程度也越来越小。随着外延层少子寿命的增大，少子电子在基区输运过程中的复合损耗降低，基区输运系数增大，在发射区注射效率不变的情况下，硅微波晶体管电流放大倍数随之增大。

当少子寿命增大到一定值时，少子在基区及集电区中的扩散长度较长（少子寿命越高，少子扩散长度越长），其远远大于基区宽度和集电区厚度，因此，少子寿命增大到一定时，电流放大倍数随着少子寿命的增大，上升的幅度变缓。随着少子寿命的增大，各个结电容的充放电时间变长，从而导致随着少子寿命增大，晶体管特征频率降低。载流子寿命的减小意味着在少子器件里，载流子消失得很快，频率提高。而载流子寿命的减小也意味着电流的减小，所以β 也减小。

图6 不同SRH 复合的电子及空穴寿命下fT 与β 曲线

综上所述，增大外延层掺杂浓度不仅有利于提高电流放大倍数，也有利于提高晶体管特征频率；增大基区注入剂量对电流放大倍数和特征频率的提高有不利影响；增大发射区注入剂量有利于提高电流放大倍数和特征频率；电流放大倍数和特征频率对P+区注入剂量的要求存在矛盾，降低P+区注入剂量有利于提高特征频率，但不利于提高电流放大倍数；电流放大倍数与特征频率对外延层少子寿命的要求存在矛盾，提高外延少子寿命有利于提高大电流放大倍数，但不利于提高特征频率。

4 结 束 语

利用TCAD 半导体器件仿真软件对双极型硅微波晶体管结构参数、工艺参数及输出特性进行仿真研究，得以全面系统地分析了外延层材料掺杂浓度、少子寿命、基区和发射区注入剂量和注入能量对双极型硅微波晶体管电流放大倍数和特征频率的影响。通过仿真得到：增大外延层掺杂浓度、降低基区注入剂量、增大发射区注入剂量有利于提高电流放大倍数和特征频率。增大外延层少子寿命有利于电流放大倍数的提高，但不利于特征频率的提高。这一仿真结果可为硅微波器件的设计和制备提供有意义的参考信息。