微波功率SiGe HBT关键技术研究

论文摘要

微波功率晶体管对军事电子系统中固态发射机的功能、性能及应用范围起到了重要的推动和支撑作用。对L及其以下波段的固态发射机,Si BJT（双极晶体管）是首选器件,但是Si BJT的微波功率、增益及效率随工作频率的升高而急剧下降,使其频率应用范围受到限制。GaAs器件频率特性好,增益和效率高,在S波段以上被采用,然而它的功率密度较低,成本较高,限制了应用。SiGe HBT（异质结双极晶体管）功率特性与Si BJT相当,频率特性远优于SiBJT。不但可以在S及其以下波段替代Si BJT,而且可以其优良的功率增益和效率等特性替代GaAs HBT应用到Si BJT难以胜任的S以上波段。同时,SiGe HBT应用于固态发射机,还可以提高其性能,使雷达等系统的设计和应用更加灵活。S波段功率晶体管研制和生产的难度是国内外所公认的。目前,国外S波段100W级Si BJT已经商品化,SiGe HBT还处于探索阶段。国内S波段100W级Si BJT技术尚待成熟,SiGe HBT尚未涉足。本论文对S波段功率SiGe HBT理论和技术进行了开拓和探索性的研究工作,设计并研制出了S波段100W SiGe HBT。论文主要开展了以下研究工作：1) SiGe材料的物理参数模型基于SiGe HBT器件结构设计和电学特性研究,建立了表征SiGe HBT交、直流特性所需的SiGe材料物理参数模型,其中包括SiGe材料禁带宽度模型、有效态密度模型、本征载流子浓度模型、重掺杂禁带变窄模型、迁移率模型以及基区中Ge和杂质分布模型等。2)微波功率SiGe HBT直流参数模型基于Si/SiGe异质发射结,建立了发射结电流注入比模型。基于SiGe HBT结构及其物理参数,建立了影响电流增益的基区空穴反注入电流模型,中性基区复合电流模型,空间电荷区俄歇复合电流模型以及空间电荷区SRH（肖克莱-里德-霍尔）复合电流模型,在此基础上建立了电流增益模型。同时在建立了SiGe HBT集电极电流密度模型基础上,建立了基区扩展临界电流密度模型。对电流增益和基区空穴反注入电流、集电极电流及基区扩展临界电流密度等进行了模拟分析。3)微波功率SiGe HBT交流参数模型建立了SiGe HBT特征频率和功率增益模型。频率特性主要由发射极延迟时间、基区渡越时间、集电结耗尽层延迟时间和集电极延迟时间决定。为此,在研究分析可动电荷对势垒电容影响的基础上,建立了SiGe HBT发射结势垒电容和集电结势垒电容模型,并据此建立了包括基区扩展效应在内的发射极延迟时间模型。建立了SiGe HBT基区渡越时间模型,该模型考虑了电流密度及基区掺杂和Ge组分所引起的各种物理效应,适于基区掺杂和Ge组分为均匀和非均匀分布,以及器件在小电流到大电流密度下的应用。建立了适于Ge组分不同剖面分布的SiGe HBT基区渡越时间模型,通过模拟分析获得了最小基区渡越时间的Ge组分剖面分布函数。建立了不同集电极电流密度、包括基区扩展效应条件下的集电结耗尽层延迟时间模型。基于集电区有效宽度,建立了集电极延迟时间模型。并对以上模型进行了模拟分析。4)微波功率SiGe HBT等效电路模型SiGe HBT等效电路更能够体现器件微观结构对器件的电学特性的影响。基于SiGe HBT的器件物理,在分析研究SiGe HBT微观结构、工作机理和载流子分布及输运的基础上,建立了考虑SiGe HBT各种效应（包括厄利效应、速度饱和效应、基区扩展效应及自热效应等）的大信号等效电路模型以及相应的参数模型。该模型物理意义清晰,拓扑结构简单。通过PSpice软件器件方程开发包DEVEQ,将该模型嵌入PSpice软件中,实现对SiGe HBT器件的模拟分析。对器件的交直流分析结果与理论分析结果相一致,并且与文献报道的结果符合得较好。5)微波功率SiGe HBT结构优化根据S波段100W SiGe HBT电学参数设计要求,基于SiGe材料的物理参数、SiGe HBT异质结构以及器件的实现工艺,优化了器件发射区、基区和集电区的厚度、掺杂浓度、Ge组分及分布等纵向结构参数。优化了器件发射区的长度、宽度,基区与发射区的间距,发射极镇流电阻以及多层金属化电极的结构等横向结构参数。得到了优化的发射区和基区的面积比。6)微波功率SiGe HBT工艺设计与实现根据SiGe HBT频率和功率的设计要求,以及应变SiGe材料特殊的制备工艺,优化了制备SiGe HBT芯片的工艺流程。建立了离子注入工艺中目标浓度和深度的估算模型。基于器件的结构参数,优化并实现了浅结的离子注入和快速退火工艺。基于SiGe HBT大电流的工作条件,优化了器件的多层金属化结构（Pt/Ti-W/Pt/Au）,实现了多层金属化结构的溅射、电镀及反溅等工艺。通过流片试验,制备出了功率SiGe HBT管芯,并进行了测试,测试结果如下：BVEBO=6.5V, BVCBO=75V, BVCEO=35V,β25。7)微波功率SiGe HBT内匹配与功率合成建立了S波段功率SiGe HBT管芯输入输出阻抗模型,并对器件管芯的输入输出阻抗进行了估算。优化了S波段功率SiGe HBT的输入输出匹配网络,研究了匹配元件和匹配网络对器件性能的影响。建立了金属引线电感量模型及金属引线间的互感模型。研究了多胞芯片的功率合成技术及功率分配不均匀现象的成因,建立了功率偏差模型。在前述研究工作的基础上,在国内首次研制出了S波段100W SiGe HBT器件,经测试分析,器件达到设计要求,测试结果如下：工作电压30V；工作频率2.7GHz--3.1GHz；脉冲占空比1%--5%；输出功率>100W；功率增益=5dB。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微波功率SiGe/Si HBT制约因素
• 1.3 论文工作简介
• 第二章 SiGeHBT材料物理参数模型
• 2.1 应变SiGe与临界厚度
• 2.2 应变SiGe物理参数
• 2.3 应变SiGe迁移率模型
• 2.4 SiGe禁带宽度模型
• 2.5 重掺杂SiGe禁带变窄模型
• 2.6 SiGe有效态密度与本征载流子密度
• 2.7 基区Ge分布
• 2.8 基区掺杂分布
• 2.9 小结
• 第三章 SiGe HBT直流参数模型
• 3.1 SiGe器件基本结构
• 3.2 SiGe HBT电流增益模型
• 3.3 集电极电流密度模型
• 3.4 击穿电压与Kirk效应
• 3.5 小结
• 第四章 SiGe HBT交流参数模型
• 4.1 特征频率
• 4.2 发射极延迟时间
• 4.3 基区渡越时间
• 4.4 基区Ge组分的优化
• 4.5 集电结耗尽层渡越时间模型
• 4.6 收集结延迟时间
• 4.7 功率增益
• 4.8 小结
• 第五章 大信号SiGe HBT等效电路模型
• 5.1 SiGe HBT大信号等效电路模型
• 5.2 传输电流模型
• 5.3 SiGe HBT电容模型
• 5.4 等效电路中的其它模型
• 5.5 模拟分析
• 5.6 小结
• 第六章 S波段功率SiGe HBT芯片优化设计
• 6.1 器件图形结构设计
• 6.2 基区结构设计
• 6.3 发射区结构设计
• 6.4 集电区参数设计
• 6.5 镇流电阻
• 6.6 器件纵横向结构参数
• 6.7 小结
• 第七章 S波段功率SiGe HBT工艺设计与实现
• 7.1 工艺步骤
• 7.2 离子注入
• 7.3 金属化
• 7.4 电镀
• 7.5 小结
• 第八章 S波段功率SiGe HBT内匹配与功率合成
• 8.1 微波功率管管芯阻抗估算
• 8.2 内匹配网络设计
• 8.3 内匹配网络中元件对晶体管性能影响
• 8.4 内匹配网络功率均分
• 8.5 功率合成
• 8.6 S波段功率SiGe HBT内匹配与功率合成
• 8.7 小结
• 第九章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 在读期间的科研成果