1、薄基区异质结晶体管的负阻特性与分析第 39 卷第 l 期2006 年 1 月天津大学学报JournalofTianjinUniversityV01.39No.1Jan.20o6薄基区异质结晶体管的负阻特性与分析张世林,李建恒,郭维廉,齐海涛,梁惠来(大津大学电子信息 J 程学院 ,天津 300072)摘要:采用分子束外延方法生长了 8nln 基区的 InGaPGaAs 双异质结材料,研制成具有负阻特性的异质结晶体管.该晶体管可以集成在高速高频的数字逻辑电路中,大大减少了器件数目.讨论了薄基区负阻异质结晶体管的负阻特性及其物理机制.器件负阻特性的产生与其结构密切相关,包括导带势垒尖峰和基区宽度负
2、反馈效应.推出了物理公式,并且使用 PSPICE 模拟软件建立了电路模型.模拟结果符合制作器件的测量结果 .关键词:异质结晶体管;负阻特性;薄堆区; 电路模拟中图分类号:TN43l 文献标志码:A 文章编号:0493 2l37(2006)01010905NegativeDifferentialResistanceCharacteristicandAnalysisofThinBaseHBTZHANGShilin,LIJian heng,GUOWeilian,QIHaltao,LIANGHuilai(SchoolofElectronicInformationEngineering,TianjinU
3、niversit,Tianjin300072,China)Abstract:InGaPGaAsthinbase(8nm)dualheterojunctionmaterialisgrownbvmolecularbeamextension(MBE),andaheterojunctionbipolartransistor(HBT)withnegativedifferentialresistance(NDR)characteristieisfabrieated.NDRHBTcanheintegratedinhighspeedandhighfrequencydigitallogiccirt?uit,th
4、enumberofdevicescanbereducedgreatly.TheNDRcharacteristicandphysicalanalysisofthinbaseHBTarepresented.TheNDRcharacteristicofthisdeviceiScloselyrelativetoitsstructure.includingconduction)andspikeandbasewidthnegativefeedbackeffect.ThephysicalformulasaregivenandthecircuitmodelisfoundedhyPSPICE.Thesimula
5、tedresultiSclusetothemeasureoutcome.Keywords:heterojunctionbipolartransistor;negativedifferentialresistancecharacteristic;thinhase;circuitSimt11atiOn异质结晶体管(heterojunctionbipolartransistor,HBT)是利用异质结工作的三端器件 .器件结构的主要特点是其 PN 结使用小同的材料制作,从 lIf 在界面七出现能带的不连续,形成导带势垒尖峰E 对电子的输运起到阻挡作用.同时,薄基区 HBT 还具有负阻特性卜-,称为薄基
6、区负阻异质结晶体管 (thinbasenegativedifferentialresistanceheterojunctionbipolartran?sistor,TBNDRHBT).随着分子束外延(molecularbeamextension,MBE)技术的发展,晶体管的基区越来越窄,这就使基区薄层电阻 n 越来越大,基宽度调变效应也随之凸现,这样薄基 Ix 二晶体管的基区电流和电压收稿日期:20041I 一 30;修回日期:2005 04-30.基金项目:同家重点荩础研究发展规划金资助项 (2002CB3l1905)作者简介:张世林(I953 一),硕 t,剐教授,zI1.sh.1ex,r
7、ou.eoiii.分 l 布宽基区的晶体管有很大不同 .j 极电流或电压恒定时,随着集电极电压增大,晶体管工作在线性区,集电极电流也增大.进一步增大,由于基区宽度调变效应,R 增大,降落在基的电压和发射结电压也增大,这将导致导带势垒尖峰调制和基区宽度负反馈两种效应出现.所渭导带势垒尖峰调制效应,就是随着增大,AE:随之线性增大,阻挡电子电流,降低发射结注入效率,从 mf 降低,基区宽度负反馈效应就是随着增大,基极电流流过的电压降增大,无源区的而积增大,减小.继续增大:,出现基区穿通,急剧上升.所以薄基 HBT 的?110?天津大学学报第 39 卷第 1 期输出特性曲线表现出 N 型负阻1 器件
8、的设计与制作1.1 负阻 HBT 的材料结构设计将器件设计为双异质结结构,所用材料在中科院物理所采用 MBE 方法生长 ,如表 1 所示.在半绝缘GaAs 衬底上依次生长 nGaAs 亚集电极层,n 掺杂InGaP 集电极层 ,未掺杂 spacer 层,PGaAs 基区层,未掺杂 spacer 层 ,nInGaP 发射极层,nGaAscap 层和nGaAscap 层.发射区和集电区为 si 掺杂,基区采用Be 掺杂.基区厚度的误差在 4-1%左右,各区掺杂浓度均为均匀分布,误差在 4-5%左右.可以看出,负阻 HBT 的结构除了基区宽度很小(8nm)外.其主要结构与常规的 HBT 相似.在此选
9、用InGaP 制作发射区可以避免 A1GaAs 引入 DX 中心,同时 InGaP 还具有表面复合速率低,AE, 比 AE,大以及选择腐蚀性高等优点.表 1 负阻 HBT 材料结构Tab.1StructureofNDRHBTmaterial掺杂类型材料掺杂浓度/(tool-Cnl.)材料厚度/nmGaAs51018200GaAs510.200InGaP110.60未掺杂 GaAs05PGaAs110.8未掺杂 GaAs051nGaP510300GaAs5105001.2 器件制作工艺制作中采用普通接触式曝光,金属剥离,金属掩蔽腐蚀,台面腐蚀隔离,金属溅射,等离子化学气相淀积 SiO 和快速合金
10、等工艺,整个工艺流程包括 7 次光刻.为了准确控制基区厚度,采用了选择性腐蚀技术,GaAs 层用低配比 Hs0 一 HO 一 HO 溶液进行腐蚀,InGaP 层用高配比 HC1 一 HO 溶液进行腐蚀.由于前者对 InGaP/GaAs 的选择比高达 300:1,后者对 GaAs基本无腐蚀作用,所以可较好地控制腐蚀至各层上方.发射极和集电极金属为磁控溅射 AuGeNi/Au,基极金属为真空蒸发 ZnAu/Au,制作完成后一起合金 ,合金温度从 200oC 逐渐升温到 360oC,时间为 5rain.各电极面积相同,均为 20m30I.zm.2 器件的负阻特性图 1 是利用表 1 材料制作的 HB
11、T 在基极电压恒定条件下的测试结果,用电压除以基极串联电阻和内基区电阻可以得出电流值.图 1 薄基区 HBT 的 J-特性Fig.1/-VcharacteristicofthinbaseHBT薄基区 HBT 在基区恒定电流和电压的条件下都可能产生负阻,薄基区 HBT 出现负阻的原因主要是 2 个独特的物理结构:异质发射结和薄基区 .前者使发射结处产生导带势垒尖峰 AE 阻挡从发射区注入的电子电流;后者使内基区薄层电阻尺 n 非常大,在内基区中形成无源区,减少了集电极电流,流过的面积.而且二者对,的减小作用都随的增大而增大,这样就在输出特性曲线上形成负阻.2.1 导带势垒尖峰调制机制由于基区宽度
12、调变效应,当 Vc 增加时,中性基区的宽度随之减小.由于基极电流是横向电流,所以基区宽度的减小增大了基区电阻.在基极电流不变的情况下,就要增加,使 AE,出现并增大 ,如图 2 所示,发射结的注入效率和集电极电流就会降低.表现在输出特性曲线上是在一段正向有源区之后,出现了负阻区.不考虑空间电荷区复合电流和集电结反向饱和电工三莓工等;j,者,发射结卒问电筒也结.问电简层图 2 导带和价带不连续的能带Fig.2Energybanddiagramillustratingconductionandvalencebanddiscontinuity2006 年 1 月张世林等:薄基区异质结晶体管的负阻特性
13、与分析?l11?流,集电极电流可表示为,(=exp(警)一-(1)式中:为发射结放大系数,=.;为发射结注入系数;为基区复合系数.不考虑基区复合 ,则有o=1,E:.对于异质结,在计算发射结注入效率的时候,需要考虑导带势垒尖峰 AE:和价带能带不连续 AE,对导带电子电流和价带空穴电流的阻挡作用.用 I,棚和 I,棚分别表示同质结的电子电流密度和空穴电流密度,则对于缓变结发射结的注入效率可表示为Lr,),-+Jpeo唧(-)式中 AE 表示异质结材料的禁带宽度差 .由基区宽度调制效应可知,对于基区掺杂均匀的晶体管,其正向 early 电压为(3)OVcB式中为基区宽度.解此微分方程得Wn:WB
14、oexp() 式中是集电结偏压未增大到产生负阻时的基区宽度.在基极输入电流恒定的条件下,发射结上的电压降与 Rr成正比关系,由于基区横向电阻 |R 口与基区宽度成反比关系,的值保持恒定,表示为啪 WB0=VBEWB=C(5)式中 VBE0 和舯表示集电结偏压未增大到产生负阻时的发射结偏压和基区宽度.综合式(4)和式(5), 得啪 ex)(6)异质发射结的 AE:与之间的关系没有一个解析表达式,但对于具体的 HBT 测试可以根据经验得出AE 与之间满足线性关系,即AEc:a(B一 b)(7)对于不同的 HBT,a,b 有不同的具体值,可以通过对具体 HBT 的测量结果进行模拟,计算出 a,b 的
15、值.将式(6)代入式(7), 得:.expI/VcR)一 61将式(8)代人式(2) 得,.,L.-+一)将式(9)代人式(1) 得exp(百 qVBE)一 1=(8)(9).+唧xpldneO【一 Jexp(学)一 1(10)式(10)给出了,与的关系,可以明显地看出随着:上升,:下降,产生负阻.2.2 薄基区宽度负反馈机制图 3 为基区电压降反馈效应的示意图.设和5 分别表示与纸面平行和垂直的发射极尺寸,为发射区面积.由于很小,基极电流只有横向流动分量,在横向产生电压降,发射结电流,从发射区经过基区垂直地流向集电区.为了分析方便可将基区电阻分成 2 部分:从基区接触到发射结界面之间的基区电
16、阻 JR 由于电压降,右侧的基区部分得不到.电压的驱动,故无发射区电流流过,称为无源区;与电流通过相对应的横向基区电阻 R,从发射结界面(O 处 )到无电流区的距离为,实际上发射极电流只在 5 的面积流过,称为有源区.I魄一 n,_一 uBef_:接也_.基掇欧姆接触有源区键电阪欧蜡接触,集 x半绝缘 GaAs 讨底图 3 薄基区 HBT 的纵向截面Fig.3ProfileofthinbaseHBT设 p 为基区电阻率,则基区总电阻町以表示为RBE=RBo+RBx=+pnX=一旦一一一一一啄0.屯,?ll2? 天津大学学报第 39 卷第 1 期)用表示加在基极上的基区电压,由于存在电压降,(R
17、.+R),则在发射结面上的电压为VBE=VB 一 ,B(RB+R)=-lnRo 一,.pXLE(12)令 V.=0,可得无电流区左侧的 X 值为=AEBPBLE(13)实际流过基区的发射极电流可表示为,=JEAEx=.,XS=.,AE(14)式中:.,为发射极电流密度;蹦为电流实际流过的发射极面积.将式(13)代入式(14)得.,(15)由于,=od,则=odE=oJE(16)增大,会使基区一侧的耗尽区宽度 X 扩展,中性基区宽度.减小.X 与 Vc 的关系可表示为=Nq(NN).(=,vI),)qNNNR 厂)(l】)A式中:N 和 N.,分别为集电区和基区的施主杂质和受主杂质浓度;为材料的
18、介电常数 ;V 为平衡 PN 结内建电压,通常 BJ,JV=V|由式(17)得中性基区宽度为()(18)将式(18)代入式(16) 得,(=?一(等(19)式(19)给出了与 Vc 的关系,可以明显看出,随着:上升,下降,产生负阻.需要注意的是 ,推导的式子都是在输出曲线出现负阻段时适用的,不适用于整个曲线范围.对于饱和区和正向有源区,还要使用EM 等模中的申和申流关系式.3 器件的等效电路及模拟薄基区 HBT 负阻的产生依赖于发射结的导带势垒尖峰和内基区大电阻的负反馈,可在常规 HBT 模型的基础上考虑二者建立等效电路模型,如图 4 所示,包括中性区的串联电阻尺,尺,和尺,发射结和集电结,电
19、子传输电流,尖峰和负反馈效应减少的电流,以及用来显示集电极一“叮叮pp;2006 年 1 月张世林等:薄基区异质结晶体管的负阻特性与分析cE/V23图 6I 的输出特性曲线Fig.6Outputcharacteristiccurveof,vIG64j4 结语对 TBNDRHBT 的负阻特性及其物理机制进行了电路模拟.TBNDRHBT 具有负阻,双稳和自锁的特性,因此对于相同的逻辑功能,可以使用相对很少的 TBNDRHBT 来实现.同时 TBNDRHBT 还具有 HBT 的优点,因此 TBNDRHBT 在高频和高速数字电路中具有很大的发展潜力.参考文献:1LeeTW,HoustonPA.Newn
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21、ticsJ.IEEEElectronDeviceLetters.1999.20(10):510513.LuSS,WangYJ.AGSMBEgrownGalnP/GaAsnarrowbaseDHBTexhibitingN?-shapednegativedifferentialresist?-ancewithvariablepeaktovalleycurrentratioupto110atroomtemperatureJ.1EEEElectronDeviceLetters,1994,15(2):602.YarnKF,WangYH,ChangCY,eta1.Voltagecontrolledthre
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