RANCANGAN HETEROJUNCTION BIPOLAR TRANSISTOR SILIKON GERMANIUM (HBT S SIGE) DENGAN PENDEKATAN POISSON EQUATION

Tossin Alamsyah dkk, Rancangan Heterojunction Transisistor…

RANCANGAN HETEROJUNCTION BIPOLAR TRANSISTOR SILIKON GERMANIUM (HBT’S SIGE) DENGAN PENDEKATAN POISSON EQUATION Tossin Alamsyah, Endang Saepuddin Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Jakarta e-mail : [email protected] .

ABSTRACT. Ideally performance of Heterojunction Bipolar Transistor (SiGe HBT's) is the Threshold Frequency (ft) and Maximum Frequency (fmax) and high current gain. In order to get the performance can be used the physics approach that that is heavy doping on the emitter and narrow base width. This research conducted at the design of SiGe HBT's based on a model approach three (3)-dimensional hydrodynamic approach to the Poisson equation with electron transport. Simulation using the software Bipole3 with input parameters based on models developed by IBM's first generation. Results of analysis and discussion show that the design of SiGe HBT's provide the frequency threshold (FT) 56 GHz with a deviation of 7% of the worth of a model developed by IBM. Keywords: HBT’s SiGe, Poisson Equation.

ABSTRAK Kinerja ideal dari Heterojunction Bipolar Transistor (HBT’s SiGe) adalah Threshold Frequency ( ft ) dan Maximum Frequency ( fmax ) serta Current Gain yang tinggi. Untuk mendapatkan unjuk kerja yang tersebut dapat digunakan pendekatan physic yaitu heavy doping pada emitter dan lebar basis dibuat sempit (narrow base width). Pada riset ini dilakukan rancangan HBT’s SiGe berdasarkan pendekatan model tiga(3) dimensi hydrodynamic dengan pendekatan Poisson equation electron transport. Simulasi menggunakan perangkat lunak Bipole3 dengan parameter masukan berdasarkan model yang dikembangkan oleh IBM generasi pertama Hasil analisa dan pembahasan menunjukkan bahwa hasil rancangan HBT’s SiGe menghasilkan frekuensi threshold (fT) 56 GHz dengan deviasi senilai 7% terhadap model yang dikembangkan oleh IBM .Kata kunci: HBT’s SiGe, Persamaan Poisson .

PENDAHULUAN Sejak tahun 1989 IBM memulai memproduksi devais transistor dengan struktur material Silikon dan Germanium (SiGe) pada basis untuk selanjutnya devais ini disebut Heterojunction Bipolar Transistor Silikon Germanium atau HBT SiGe. [1] Teori HBT SiGe dikembangkan dan dipublikasikan oleh Kroemer, [2] penggunaan heterostruktur Silikon Germanium material pada Heterojunction Bipolar Transistor (HBT) ini adalah lompatan yang besar dalam perkembangan devais elektronika sebagai

207

backbone dalam Teknologi.

mendukung kemajuan

Pada saat ini riset-riset HBT SiGe yang lalu telah dikembangkan oleh berbagai institusi antara lain IBM, Infineon, Australia Microsystem (AMS), Hitachi, dan lainnya. HBT SiGe dengan kinerja frekuensi yang tinggi dapat diperoleh dengan mengatur lebar basis, mengatur fraction mole (x) pada Germanium pada pencampuran Silikon serta mengatur profil Ge pada basis [3] serta ketebalan spacer diantara base emitter. Dengan berkembangnya teknologi litografi maka sejak akhir 1990-an mulai dilakukan penskalaan


pada arah lateral (lateral scaling), ini dimaksudkan untuk memperkecil komponen parasitik seperti dilakukan oleh Freeman [4] [5], beberapa hasil kajian unjuk kerja HBT SiGe dengan mengembangkan teknologi litografi dikembangkan oleh IBM 0,12m [6] dan Hitachi 0,2m [7]. Ada beberapa pendekatan model matematis dalam perancangan HBT SiGe antara lain DD drift-diffusion (DD) untuk model satu(1) dimensi, energy-transport (ET) model dua (2) dimensi dan hydrodynamic ( HD) model tiga(3) dimensi. [8] Road Map Microelectronics yang dikembangkan oleh IHP (Innovations for High Performance microelectronics) dari Technologiepark 2515236 Frankfurt, yang memiliki kompetensi di bidang pengembangan teknologi frekuensi tinggi, telah mengembangkan broadband wireless communication yang berbasis material Silikon (Si), Silikon – Germanium (SiGe) dan SilikonGermanium-Carbon (SiGe-C). [15] Kemudian International Technology Road map for Semiconductor (ITRS) memetakan bahwa HBT SIGe dikembangkan kearah teknologi BICMOS (Bipolar CMOS) yang merepresentasikan pada perkembangan Radio Frequency (RF) untuk memenuhi kebutuhan Technologi wireless, antara lain cellular phones, wireless local area networks (WLANs), wireless personal area networks (PAN), phased array RF systems, emerging wireless communication, radar, dan imaging applications dengan frekuensi kerja dari 0.8 GHz sampai dengan 100 GHz, untuk kemudian pada tahun 2011 roadmaps diarahkan band frekuensi kerja dari 0 sd. 0.4 GHz, 0.4 sd. 30 GHz, dan 30 sd. 300 GHz. [16] Innovations for High Performance microelectronics (IHP), mengembangkan HBT SiGe untuk dikembangkan pada TeraHerzt devices berbasus pada 208

perkembangan CMOS technology, serte mengembangkan HBT SiGe dengan penambahan material C (carbon) pada lapisan basis , SiGeC HBT. International Technology Road map for Semiconductor (ITRS) dengan provider IBM mengembangkan SiGe HBT dengan berdasarkan pada teknologi BICMOS saat ini telah dan akan dikembangkan dengan perubahan pada lithographi sampai 0,5µm yang digunakan pada teknologi radar yang bekerja pada frekuensi treshold (fT) 80 Giga Herzt. Radio Frequency Technologi dari Siemens mengembngkan HBT SiGe dengan Teknologi BIP-CMOS atau BICMOS dengan lithograpi 0,35µm , yang bekerja 75 Giga Hertz. Beberapa hasil penelitian HBT SiGe untuk pencapaian unjuk kerja frekuensi treshold (fT) dan maksimum (fmaks) yang telah dilakukan ditunjukkan pada Gambar 2.2 Rekor pencapaian frekuensi HBT tertinggi SilikonGermanium (SiGe) yang dikembangkan oleh IBM mencapai frekuensi treshold maksimum 350 GHz dan frekuensi osilasi maksimum fmax 285 GHz.[ 17] a) Geometris HBTSiGe. Pendekatan ini didasarkan pada bentuk fisik rancangan devais yang meliputi bentuk geometris , lateral , vertikal dan skema pertumbuhan layer pada HBT SiGe. Besarnya doping elektron pada bagian basis, kolektor, emiter serta mole fraction (x) germanium pada silikon pada bagian basis serta ukuran dan besarnya nilai parameter fisik dapat menentukan unjuk kerja yang optimal yaitu frekuensi treshold (cutoff) (fT), oscilasi maksimum (fmaks), current gain (β) dan Noise Figure (Fn). Gambar 1(a)(b)(c) dan (d) menunjukkan model HBT SiGe yang terdiri dari dimensi lateral, vertikal, profile impurity dan lay out vertical. [9]


Gambar 3 Profil doping beserta daerah netral dan space charge region.[9]

Gambar 2a. Dimensi Lateral . [alamsyah,tossin ,2009 ] emitter collector

base

base Si

Si n-

SiGe p+ SiGe

Si n-

Burried layer / subtrat Si p-

Gambar 2b. Dimensi Lateral [alamsyah,tossin 2009] Pada profil impurity yang ditunjukkan oleh Gambar 3, Profil doping terbagi dalam area netral dan space charge region (scr). [10] Pada arah vertikal (arah-x), program simulasi Bipole3 membagi divais menjadi 5 daerah yaitu: 1) emiter netral, 2) emiter-basis SCR, 3) basis netral, 4) basis-kolektor SCR dan 5) kolektor netral, di area ini elektron bergerak dengan prilaku khusus sehingga setiap area memilki transit time tertentu yang sangat berpengaruh pada respon frekuensi yaitu fT dan fmaks.

209

Gambar Gambar 4 menunjukkan pendekatan geometris dari HBT SiGe dengan mempresentasikan secara tiga(3) dimensi yaitu arah vertikal, sumbu z yang menunjukkan nilai konsentrasi doping elektron, pada sumbu x merepresentasikan arah lateral yang menunjukkan panjang dari finger kolektor , base dan emiter. Kemudian pada arah y (veritkal) menunjukkan ketebalan dari base,emiter dan kolektor yang dinyatakan dalam nanometer. Dari mengamati pola geometris HBT SiGe tersebut dapat dinayatakan bahwa electron transport yang terjadi merupakan penjumlahan total charge elektron yang terdistribusi pada bagian x, y dan z yang sesuai dengan “the second uniqueness theorem dari Poisson equation”, yaitu ;[10]  Sumbu z (1a) .E1  0  sumbu x (1b) .E 2  0  sumbu y (1c) .E3  0

Tossin Alamsyah dkk, Rancangan Heterojunction Transisistor… 

Neff adalah Doping elektron yang menyebabkan band gap narrowing.

Dengan demikian dapat diturunkan menjadi Persamaan 6a,b,c dan d.;

METODOLOGI. Metode penelitian akan diuji coba pada rancangan model HBT SiGe dengan menggunakan tools Software yang Bipole3 yang mengadopsi poisson equation sebagai pola pendekatannya.[12][9] Data rancangan sekunder berdasarkan dari model rancangan HBT SiGe IBM generasi pertama, hal ini disebabkan data-data dari model inilah yang tersedia pada jurnal-jurnal IEEE dengan Ae 0.25 µm. Program simulator dirancang khusus dengan pendekatan hydrodinamik dengan persamaan elektron transport berdasarkan pada persamaan Poisson.

Gambar 4. Pendekatan Geometris HBT SiGe

b) Persamaan Poisson Dari pendekatan geometris HBT SiGe yang bertujuan untuk mengetahui perilaku elektron transport dalam HBT SiGe dapat dihasilkan persamaan 2 yang diturunkan berdasarkan pada Pendekatan Geometri HBT Vertikal (N) dan sumbu Y.

Persamaan 2 berikut menunjukkan kondisimuatan menunjukkan kondisi muatan pada profil doping yang berkaitan dengan space charge region (scr), pada sisi n (elektro).

dE q  dx N  x   n x 

(6a)

 N eff  n    dn  n  J n  x      dN eff     dx   N eff  2n   qDn    N eff  n   dx

dp  N eff  p   J p   J n  p   p  dN eff           dx  N eff  2 p  qD p   qDn  N d  p   N eff  n dx 

(2)

Maka dapat diturunkan pula prilaku hole (p) seperti pada persamaan 3 berikut;

(3)

dE

dx

 (q)N ( x)  n( x) (4)

J n  qvd ( x) E ( x)  

  

(5)

Dn koefisien Diffusi elektron , D/μ = kT/q , dengan μ adalah mobilitas elektron yang ditentukan besarnya doping.

210

J n  qvd x E x 

(6c) (6d)

Langkah lain yang dilakukan adalah (a) merencanakan profil doping HBT SiGe acuan yang sesuai dengan data eksperimen HBT SiGe buatan IBM., dengan beberapa penyesuaian.. (b) menentukan konsentrasi doping poli-Si simulasi adalah 1021 cm3. (c) menentukan pertemuan antara bahan tipe-n yang diberi doping As dan tipe-p yang diberi doping B, kemiringan profil doping emiter dalam simulasi diatur agar berpotongan dengan profil doping basis

(6b)


sesuai Gummel Plot IBM. [13][14] Beberapa parameter yang akan diamati adalah transport elektron dan parameter output arus kolektor dan basis (IC dan IB) serta current gain (β) , frekuensi treshold (fT).

J B ,dif  

qD pE ni2    qVBE exp  N EWe    kT

     1    (7b)

HASIL DAN PEMBAHASAN Merencanakan profil doping HBT SiGe acuan yang sesuai dengan data eksperimen HBT SiGe buatan IBM pada arah vertikal [12] , dengan beberapa penyesuaian yang dilakukan antara lain,. Pertemuan antara poliSi (polysilicon) dan mono-Si (single crystal silicon) ditandai dengan adanya tekukan pada daerah pertemuan, dalam hal ini tekukan tersebut dianggap tidak aktif secara elektrik kemudian konsentrasi doping polisilikon 21 3 10 cm serta pertemuan antara bahan tipe-n yang diberi doping As dan tipe-p yang diberi doping B, kemiringan profil doping emiter dalam simulasi diatur agar berpotongan dengan profil doping basis pada daerah lekukan seperti diperlihatkan pada Gambar 5, dengan garis yang berwarna adalah pendekatan model yang dilakukan. Gambar 6 menunjukkan diagram doping Neff pada daerah netral dan aktif, seperti dinyatakan pada Gambar 3 diatas. Daerah emiter netral dari gambar model ini sekitar 0,04 micron , basis netral 0,06 micron dan kolektor netral 0,3 mikron, sedangkan untuk daerah aktif atau scr (space charge region) emiter-basis scr sekitar 0,01 mikron dan basis-kolektor SCR 0,003 mikron. Doping pada daerah netral akan lebih timggi dibanding pada daerah aktif, hal ini terjadi karena pada daerah aktif mempunyai ketebalan yang lebih tipis dibanding pada daerah netral. Net doping untuk daerah netral pada bagian emiter-basis-kolektor masingmasing adalah 1021 cm-3 ; 0,8.1018 cm-3 dan 0,8.1017 cm-3 sedangkan untuk daerah aktif adalah 0,2.1018 ; 0,5.1017 dan 0,2.1017 cm-3. Persamaan densitas arus kolektor (Jc) dan basis (Jb) pada HBT SiGe dinyatakan oleh Persamaan 7a dan 7b . ( E

J C , HBT 

qDnBni20e g , HD N BWb

 E g , Ge ) / kT

  qVBE     1 exp    kT   (7a)

211

Gambar 5 . Kalibrasi profil Ge HBT SiGe

Gambar 6. Diagram Doping pada daerah Netral dan aktif (effektif) model HBT SiGe Sehingga current gain (Jc/Jb) memenuhi persamaan ;

hfe (  ) 

E DnBwe exp( g ) DpE wb kT

(8)

Gambar 7 menunjukkan karakteristik output dari hasil rancangan HBT SiGe yang menunjukkan fungsi arus IC dan IB terhadap tegangan basis-emiter (VBE). Daerah knee terjadi ketika VBE < 0,9 volt, besar IC pada tegangan ini adalah 0,05 Ampere, untuk


seterusnya arus kolektor dan basis naik secara perlahan-lahan.

Gambar 8. Current gain (β) ac dan dc terhadap Arus kolektor (IC). Gambar 7. Arus kolektor (IC) dan arus basis (IB) terhadap tegangan VBE. Gambar 8 menunjukkan karakteristik output current gain (β) dc dan ac terhadap tegangan basis-emiter (VBE), current gain (β) terbtingi dicapai sebesar 105 pada saat besar arus kolektor IC mencapai 0,00001 Amper, untuk selanjutnya β ac maupun dc akan turun ketika arus kolektor IC mencapai dinaikkan atau diturunkan sesuai perubahan pada tegangan basis emiter (VBE). Gambar 9 menunjukken perbandingan hasil simulasi frekuensi treshold (fT) dibandingkan dengan parameter model IBM mempunyai deviasi sekitar 7% hal ini disebabkan adanya parameter fisika yang tidak dapat dimasukkan dalam perhitungan karena keterbatasan kemampuan program Bipole3, yaitu nilai effective density of state pada pita konduksi [Raymond, Je et all, 1996.]. Perbandingan Nc dan Nv bahan SiGe dan Si () jika  dimasukkan dalam perhitungan maka secara keseluruhan nilai IC yang diperoleh dari hasil simulasi lebih rendah menjadi 6% dari IC eksperimen.

212

Gambar 9. Perbandingan hasil rancangan Frekuensi treshold (fT) terhadap Arus kolektor (IC) dan Model IBM

KESIMPULAN. Dengan pendekatan Poisson equation electron ransport , perancangan Heterojunction Bipolar Transistor Silikon Germanium (HBT’s SiGe) yang digunakan sebagai basis perhitungan dalam rancangan HBT SiGe yang diadopsi oleh tool Bipole3 serta data masukan berdasarkan pada Gummel Plot IBM profil SiGe HBT


menghasilkan parameter keluaran frekuensi threshold (fT) sebesar 56 GHz dengan perbedaan deviasi sebesar 7% dibanding model rancangan yang dikembangkan oleh IBM. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih DP2M Dikti yang telah memberikan bantuan dana dalam melaksanakan Penelitian Fundamental dengan kajian HBT SiGe. DAFTAR ACUAN [1]. Benedicte Le Tron, MD R Hashim,Peter Ashburn, Mirelli Mouis, Alan Chantre and Gilbert Vincent. “Determination of Bandgap Narrowing and Parasitic Energy Barriers in SiGe HBT, IEEE Transaction on Electron Devices , vol 44 , No. 5 May 1997. [2]. Hueting R.J.E., Charge Carrier Transport in Silicon Germanium Heterojunction Bipolar Transistors, Disertasi, Delft University of Technology, 1997 [3]. B. Heinemann, D. Knoll, G. Fischer, D. Krüger, G. Lippert, H. J. Osten, H. Rücker, W. Röpke, P. Schley, and B. Tillack “Control of Steep Boron Profiles in Si/SiGe Heterojunction Bipolar Transistors” Institute for Semiconductor Physics, WalterKorsing-Str. 2,15230 Frankfurt (Oder). [4]. Freeman G., dkk, “A 0.18 m 90 GHz fT SiGe HBT BiCMOS, ASICCompatible, Copper Interconnect Technology for RF and Microwave Applications”, IEDM Tech. Digest, 569 – 572, 1999 [5]. Zhang S., dkk, “The Effects of Geometrical Scaling on The Frequency Response and Noise Performance of SiGe HBTs,” IEEE Trans. on Electron Dev. Vol.49, No.3, 2002. 213

[6]. Lu Yuan, dkk, “Proton Tolerance of Third-Generation, 0.12 _m 185 GHz SiGe HBTs”, IEEE Transaction on Nuclear Sience, VOL. 50, NO. 6, Desember 2003 [7]. Washio K., dkk, “A 0.2-m 180GHz-fmax and 6.7-ps ECL SOI/HRS Self-Aligned SEG SiGe HBT/CMOS Technology for Microwave and High Speed Digital Application,” IEEE Trans. on Electron Dev. Vol.49, No.2, 2002. [8]. Yuan J. S., “SiGe, GaAs, and InP Heterojunction Bipolar Transistors,” John Wiley & Sons, Inc., New York, 1999. [9]. Roulston D.J., Bipole3 User”s Manual, Bipsim Inc., Canada, 2006. [10]. Kwok, K.H., Analytical Expression of Base Transit Time for SiGe HBTs with Retrograde Base Profiles, Solid State Electronics, Vol. 43, p.275-283, 1999 [11]. Erwin Kreszic” Adavanced Engineering Mathematics” Sixth Edition Wiley and Son 2006. USA [12]. J.Eberhardt, E. Kasper, “To the limit of SiGe Hetero Bipolar Transsistor : HBT Design over 200 Ghz”., University o Stuttgart, diakses bulan Juli 2007. [13]. Palankovski, V., “Simulation of Heterojunction Bipolar Transistor, http://www.iue.tuwien.ac.at/phd/pa lankovski/diss.html diakses pada 16 Agustus 2007. [14]. Shintadewi Julian E., Perancangan Heterojunction Bipolar Transistor Silikon Germanium untuk Memperoleh Frekuensi Cutoff dan Frekuensi Osilasi Maksimum Lebih dari 130 GHz, Disertasi tidak diterbitkan, Universitas Indonesia, 2004. [15]. Tillack.Bernd , “ IHP Technology Roadmap Update and Future


Research Topics,” www.ihpmicroelectronics.com. 2009. [16]. The International Technology Roadmap for Semiconductor (ITRS), 2011 edition, Radio Frequency and Analog/Mixed Signal Technologies for Communication. [17]. Yinggang Li, Harald Jacobsson, Mingquan Bao and Thomas Lewin,”High-frequency SiGe MMICs - an Industrial Perspective “ Ericsson AB, Ericsson Research, MHSERC, SE-43184 Mölndal, Sweden, 2004

214


215

RANCANGAN HETEROJUNCTION BIPOLAR TRANSISTOR SILIKON GERMANIUM (HBT S SIGE) DENGAN PENDEKATAN POISSON EQUATION

Recommend Documents