A technológia hatása a bipoláris tranzisztor paramétereire Készítette Katona József Mikro és nanotechnológia 2002. október 2.
A bipoláris tranzisztor alkalmazási területei • Nagyáramú, nagyteljesítményű áramkörök • Nagysebességű digitális technika (ECL, BiCMOS) • Rádiófrekvenciás alkalmazások (erősítők) • Referenciaforrások • Egyéb, jelentős áramot igénylő alkalmazások
Sebesség optimalizálása cél: az fT határfrekvencia és az fmax maximális oszcillációs frekvencia növelése fT
β [ dB ]
τ B−1
−1 τ EB
fT
log f
fT áramfüggése
fT : β = 1 τ BC
kT = C BC + rE + rC qI C
IC
fT = [ 2π (τ EB + τ BC + τ B + τ C ) ]
τ EB = C EB
kT qI C
WB2 τB = 2 De
−1
τC =
WC 2v s
Sebesség optimalizálása cél: az fT határfrekvencia és az fmax maximális oszcillációs frekvencia növelése fmax
Gmax [ dB ]
f max
f max ≈
fT 8πRB C BC
sebesség növelése
log f
fmax áramfüggése
IC
Technológia marad, geometria változtatása Technológia változtatása (mélységi struktúra, anyagok, gyártási mód)
A rajzolat geometriájának optimalizálása A geometriával befolyásolható tranzisztorparaméterek: •AC paraméterek – áramerősítés – kapacitások értéke – rezisztív elemek értéke – határfrekvenciák •Zajtényező – termikus zaj csökkentése
Az XFAB technológiai könyvtár tranzisztorai
qnb1
qnb2mb
qnb2sa
qnb2
qnb1ma
qnb2ma
qnb2mc
qnb3sa
qnbrob
Megfelelő technológia alkalmazása A bipoláris tranzisztor áramai:
Emitter hatásfok
Transzport hatásfok ηtr =
ηE =
I En <1 IE
A = η Eηtr
A bázis lyukakat injektál az emitterbe: • az emitter áramának egy részét a lyukáram adja • sok elektron rekombinálódik még az átmenet előtt Megoldás: heteroátmenetes bipoláris tranzisztor
I Cn I En
A heteroátmenetes bipoláris tranzisztor •az emitter oldalán lévő anyag tiltott sávja szélesebb (∆EG) •a bázis kevesebb lyukat tud injektálni •abrupt átmenetnél a vezetési sávban „potenciáltüske” (∆EC) van, amely szűrőként viselkedik, kevesebb elektron jut át rajta (termikus emisszióval, illetve tunnelezéssel)
•fokozatos átmenetnél nincs „tüske”, ilyenkor ∆EC=0
A heteroátmenet következményei Az emitterbázis átmeneten folyó áramok aránya
∆E − ∆EC − G Ih Ih = e kT I e HBT I e homo
•a lyukak nem rontják le az emitterhatásfokot, ezért a bázist erősebben lehet adalékolni, így –csökken az rB bázishozzávezetési ellenállás (fmax), emiatt csökkenthető a bázis szélessége (emelkedik az rB , de csökken a bázis futási idő) •az emitter adalékolása csökkenthető (CEB csökken) • a heteroátmenethez használható anyagokban nagyobb az elektronok mozgékonysága (rE és rC kisebb lesz), illetve a bázisban erősebb gyorsító tér hozható létre Végeredményben jelentősen emelhető az fT és az fmax határfrekvencia, de: •a heteroátmenethez megfelelő anyagok kellenek •a gyártási technológia bonyolultabb
Felhasználható anyagok
Csökkenteni kell az átmenetnél fellépő rekombinációt, emiatt azonos rácsállandó kell
Jelenleg alkalmazott anyagok
Jelenleg alkalmazott anyagok AlGaAs/GaAs •közel azonos rácsállandó, ezért többféle Al koncentráció mellett használható •a ∆EG 60%a a vezetési sávba esik, ezért fokozatos átmenet kell •az Al hevesen reagál az oxigénnel GaInP/GaAs •a GaInP jól marható szelektíven •nincs oxigénprobléma, viszont nehezen lehet fokozatos átmenetet csinálni InP/InGaAs •~50%kal nagyobb elektron mozgékonyság és hővezetőképesség •kis felszíni rekombinációs sebesség, emiatt jobb áramerősítés és linearitás •keskenyebb tiltott sáv, emiatt kisebb bekapcsolási feszültség (elem) •kisebb letörési feszültség •optikai átvitellel kompatíbilis hullámhossz, így az elektronika és az optika összeintegrálható
Jelenleg alkalmazott anyagok Si/SiGe •kompatíbilis a Sitechnológiával, használható integrált áramkörökben •javul a Si hővezetőképessége •rossz transzporttulajdonságok •különböző rácsállandók, emiatt korlátozott Ge koncentráció (diszlokációk keletkezhetnek) AlGaN/GaN •magas hőmérsékletű és nagyteljesítményű alkalmazásokhoz •alacsony az elektronok és lyukak mozgékonysága •gyenge minőségű emitterbázis átmenet •zafír hordozó
Gyártási technológiák •MBE (Molecular Beam Epitaxy) – fűtött folyadék vagy gáz halmazállapotú forrás – nagyvákuum – a vákuumon átutazó molekulák a fűtött, forgó hordozóra válnak le – lassú (~1µm/óra) növekedési sebesség miatt jól kontrollált rétegvastagság – az adalékatomokat is így választják le – reteszekkel szabályozzák a leválasztandó anyag összetételét – erős adalékolási szint lehetséges, ami fontos a bázisellenállás miatt (1020 cm3) – ptípusú adalékoláshoz berilium helyett ma már a szenet használják, mert kevésbé diffundál el a helyéről
Gyártási technológiák •MOVPE (MetalloOrganic Vapour Phase Epitaxy) – a leválasztandó anyagok gázfázisban kerülnek a reakciótérbe – szerves fémvegyületek és hidridek tartalmazzák a III és V főcsoportbeli anyagokat – a gázok a fűtött hordozóhoz érve pirolízissel felbomlanak, és az atomok megfelelő pozícióban leválnak a felületre – a koncentrációt a beáramló gáz összetételével szabályozzák – a szén a bázishoz használt adalékatom – ez az elterjedtebb módszer •UHV/CVD (UltraHigh Vacuum CVD) – az IBM találta ki a 80as években, a Si/SiGe gyártáshoz használják – gyakorlatilag az MBE és a MOVPE ötvözése
AlGaAs/GaAs technológia •Emitter soros ellenállás csökkentése megfelelő kontaktusréteggel •fokozatos átmenetek és segédrétegek a rácsállandók eltérése miatt •védőrétegek a nem kívánt diffúzió elkerülésére •keskeny bázis a futási idő csökkentésére (vigyázni az átszúrásra) •erősen adalékolt bázis a bázishozzávezetési ellenállás csökkentésére •mély, gyengén adalékolt kollektorréteg a CBC kapacitás csökkentésére
•erősen adalékolt kollektor kontaktus
További gyakorlati megoldások a „gyorsításra” Emitterkontaktus méretének csökkentése (CEB csökken)
Emitter és báziskontaktus távolságának csökkentése (rB és az áramerősítés csökken)
Mesa struktúra alkalmazása (az áramerősítés javul)
Kollektor méretének csökkentése (CBC csökken)
Eredmény: fT és fmax 233 GHz és 254 GHz
További gyakorlati megoldások a „gyorsításra” „transferredsubstrate” technológia •mesa struktúra a kiindulás, emiatt rB és CBC kicsi •a tranzisztort „leveszik” a szubsztrátról •az emitter és a kollektor tetszőlegesen hozzáférhető (hűtés) •a Schottkykontaktus behatárolja a kollektor vezető felületét, emiatt tovább csökken a CBC
Eredmény: fT és fmax 275 GHz és 293 GHz
Mindez 1 µmes emitterrel, 30 nm csatornahosszú HEMT rekord 350 GHz
További gyakorlati megoldások a „gyorsításra” Alámarás alkalmazása •mesa struktúra a kiindulás, emiatt rB és CBC kicsi •a bázis alól kimarják a kollektor egy részét, csökkentve ezzel a CBCt •alternatív megoldásként protonbombázással elroncsolják a kollektor egy részét, szintén behatárolva ezzel a vezető területet
A HBT felhasználási területei Digitális technika •frekvenciaosztók – AlInAs/GaInAs frekvenciaosztó 48GHzen, „transferred substrate” technológiával – AlInAs/GaInAs statikus frekvenciaosztó 80.1 GHzes működési frekvenciával, alámarásos technikával – InP/InGaAs 4:1 osztó IC 80 GHzen – Si/SiGe frekvenciaosztó 50 GHzen •BiCMOS integrált áramkörökben Si/SiGe (pl. standard cellák meghajtó fokozata)
A HBT felhasználási területei Analóg és hibrid áramkörök •legelterjedtebb alkalmazás a mobil kommunikáció bázisállomásaiban és készülékeiben – igen jó linearitású mikrohullámú erősítők – nagy letörési feszültséget és nagy áramsűrűséget igénylő felhasználás (GaInP DHBTnél 70 V/ 5x104 Acm2 is lehet) – alacsony tápfeszültségű alkalmazások (AlInAs/InGaAs) – AlInAs/GaInAs erősítő, „transferredsubstrate”, 80 GHzes sávszélesség, 180 és 320 GHz fTvel és fmaxval •optoelektronika, lézeres meghajtás •frekvenciaszintézerek •A/D konverterek
Jövőbeli fejlesztések •AlInP/InP/GaInAs áramkörök 100 GHzes működési sebesség fölött •bázisadalékolás gyakorlati határának növelése GaAsSb alkalmazásával (kisebb rB, így keskenyebb bázis lehet) •kollektor kiürített réteg csökkentése, ezzel a futási idő javítása (CBC, letörési feszültség korlátoz) •nagyobb tiltott sávú anyag használata a kollektorhoz (letörési fesz. növelése) •hővezetés javítása: – hűtőbordák alkalmazása (transferredsubstrate) – magas hőmérsékleten is használható anyagok (GaN)
