微波功率SiGe HBT與基于虛襯底的SiGe HPT的研制.pdf

1、隨著無(wú)線通信和光纖通信技術(shù)的發(fā)展與融合，對(duì)組成通信系統(tǒng)的光電子器件性能和成本的要求日益提高。傳統(tǒng)的Si材料器件以其成熟的工藝技術(shù)具有高集成和低成本優(yōu)勢(shì)，但是由于受到Si材料自身特性和器件結(jié)構(gòu)的限制，無(wú)法滿(mǎn)足高速的要求。SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管(HBT)利用了能帶工程和成熟的Si微電子工藝，頻率特性得到了質(zhì)的飛躍，在無(wú)線通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用；與此同時(shí)，引入具有內(nèi)部增益的SiGe異質(zhì)結(jié)光晶體管(HPT)，發(fā)揮與SiGe HBT結(jié)構(gòu)工藝完全兼容

2、的優(yōu)勢(shì)，拓展了Si基材料和器件在光纖通信領(lǐng)域的應(yīng)用。但是，SiGe HPT由于吸收區(qū)Ge組分和厚度受到Si襯底的限制，在光纖通信波段無(wú)法獲得較高的響應(yīng)度。本文以提高SiGe HBT的功率和頻率特性、SiGe HPT的響應(yīng)度和響應(yīng)波長(zhǎng)為目的，在SiGe HBT和HPT理論設(shè)計(jì)、材料制備和器件研制三方面開(kāi)展了研究工作。取得了以下主要成果： (1)參與完成了新型國(guó)產(chǎn)雙生長(zhǎng)室UHV/CVD系統(tǒng)的安裝與調(diào)試，并通過(guò)大量的生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了Si

3、Ge材料的生長(zhǎng)條件，總結(jié)出Ge組分、生長(zhǎng)速率和摻雜濃度隨源流量、溫度等條件的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，為SiGe HBT和HPT的制備奠定了材料基礎(chǔ)。 (2)設(shè)計(jì)并制備了工作在L波段(1～2GHz)的微波功率SiGe HBT。定量研究了Ge組分對(duì)SiGe HBT性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)基區(qū)Ge組分從0.20增加到0.23時(shí)，導(dǎo)致SiGe HBT電流增益從60提高到158。當(dāng)基極為電壓和電流輸入時(shí)，觀察到SiGe HBT分別呈現(xiàn)正、負(fù)兩種相反的熱

4、電反饋現(xiàn)象，并采用電壓源與電阻串聯(lián)的輸入方式，實(shí)現(xiàn)了SiGe HBT自加熱特性的自補(bǔ)償，解決了功率SiGe HBT自加熱問(wèn)題。 (3)采用氧化法制備了高質(zhì)量Si基和SOI基SiGe弛豫襯底，并建立了SiGe氧化動(dòng)力學(xué)模型。在模型中首次引入了氧化物中應(yīng)力的作用，發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了SiGe氧化速率增強(qiáng)是由于氧氣在氧化物中的擴(kuò)散激活能較低所導(dǎo)致，修正了以往人們認(rèn)為由于Ge-Ge鍵能比Si-Si鍵能更弱的觀點(diǎn)，并合理解釋了一直頗具爭(zhēng)議的SiG

5、e氧化自停止現(xiàn)象。 (4)系統(tǒng)地研究了SiGe弛豫襯底二次外延中表面熱處理方法。發(fā)現(xiàn)了高溫脫氧時(shí)SiGe薄膜表面形成Ge島，通過(guò)改變SiGe薄膜中的Ge組分可實(shí)現(xiàn)Ge島大小和密度的調(diào)控，為制備Ge量子點(diǎn)提供了新的方法；而采用高溫脫氫時(shí)，發(fā)現(xiàn)SiGe表面形成坑，通過(guò)優(yōu)化脫氫溫度在550℃獲得良好的表面形貌，并應(yīng)用于高質(zhì)量SiGe材料的二次外延，解決了SiGe弛豫襯底二次外延中表面處理這一難題。 (5)創(chuàng)新性地提出了基于Si