具有高频高压大电流优值的超结集电区SiGe HBT

为了在高频下兼顾电流增益β和击穿电压V_CBO、V_CEO的同步改善, 从而有效提升器件的高频功率性能, 利用SILVACO TCAD建立了npn型绝缘层上硅(silicon-on-insulator, SOI)基横向硅锗(SiGe)异质结双极晶体管(heterojunction bipolar transistor, HBT)的器件模型.研究结果表明: 通过基区Ge的摩尔分数的梯形分布设计, 可在基区引入电子加速场, 并减小有效基区宽度, 一方面有利于缩短基区渡越时间, 提高器件的特征频率f_T; 另一方面也有利于降低电子在基区的复合, 提高基区输运系数, 从而增大β.然而, 在基区Ge的物质的量一定的情况下, 随着Ge的摩尔分数的梯形拐点位置向集电结一侧不断靠近, 集电结一侧对应的Ge的摩尔分数也将随之增加, 此时, 器件的集电极电流处理能力将显著下降, 因此, 需对摩尔分数值进行优化.同时, 通过在衬底施加正偏压的衬底偏压结构设计, 可在埋氧层上方形成电子积累层, 提高发射结注入效率, 从而增大β, 但会退化击穿特性.进一步通过优化衬底偏压结构, 设计出了兼具复合衬底偏压结构和基区Ge的摩尔分数的梯形分布设计的SOI基横向SiGe HBT.结果表明, 与常规器件相比, 新器件在保持峰值特征频率f_Tm=306.88 GHz的情况下, 峰值电流增益β_m提高了84.8, V_CBO和V_CEO分别改善了41.3%和21.2%.

     

高热稳定性多发射极功率SiGe HBT的研制

成功研制出具有非均匀发射极条间距结构的多发射极功率SiGe 异质结双极晶体管（HBT）,用以改善功率器件热稳定性。实验结果表明,在相同的工作条件下,与传统的均匀发射极条间距结构HBT相比,非均匀发射极条间距结构HBT的峰值结温降低了15.87K。对于同一个非均匀发射极条间距结构SiGe HBT,在不同偏置条件下均能显著改善有源区温度分布。随着偏置电流IC的增加,非均匀发射极条间距结构SiGe HBT改善峰值结温的能力更为明显。由于峰值结温的降低以及有源区温度分布非均匀性的改善,非均匀发射极条间距功率SiGe HBT可以工作在更高的偏置条件下,具有更高的功率处理能力。     

宽温区高热稳定性SiGe HBT的基区优化设计

为了提高SiGe异质结双极型晶体管(heterojunction bipolar transistors,HBTs)电流增益和特征频率温度热稳定性,首先研究基区杂质浓度分布对基区Ge组分分布为矩形分布的SiGe HBT电流增益和特征频率温度敏感性的影响,基区峰值浓度位置逐渐向集电极靠近可削弱器件的电流增益和特征频率对温度变化的敏感性.随后在选取基区峰值杂质浓度靠近集电极处分布的基础上,研究基区Ge组分分布对SiGe HBT的电流增益和特征频率温度敏感性的影响,减小基区发射极侧Ge组分和增加基区Ge组分梯度可削弱SiGe HBT的电流增益对温度变化的敏感性,增加基区发射极侧Ge组分的摩尔分数和减小基区Ge组分梯度可削弱SiGe HBT的特征频率对温度变化的敏感性.在此研究结果基础上,提出了一种新型基区Ge组分分布的SiGe HBT,它拥有较高的电流增益和特征频率且其温度敏感性较弱.     

SiGe HBT基区渡越时间模型

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,适用于基区掺杂和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,模拟结果表明：基区集电结边界处载流子浓度引起的基区附加延时对基区渡越时间有较大的影响。     

3～6GHz SiGe HBT Cascode低噪声放大器的设计

基于Jazz 0.35μm SiGe工艺设计一款满足UWB和IEEE802.11a标准的低噪声放大器.采用并联电感峰化技术与Cascode结构来展宽带宽;完成了芯片版图的设计,芯片面积为1.16 mm×0.78 mm;在带宽为3~6 GHz范围内,最大增益为26.9 dB,增益平坦度为±0.9 dB.放大器的输入输出匹配良好,其回波损耗S₁₁和S₂₂均小于-10dB,输入与输出驻波比小于1.5,1 dB压缩点为-22.9 dBm.在整个频段内,放大器无条件稳定.     

基于噪声抵消的有源匹配SiGe HBT低噪声放大器设计

基于Jazz0.35μmSiGe工艺,设计了一种满足2G、3G和WIMAX标准的有源匹配SiGe HBT低噪声放大器.利用共基极晶体管输入阻抗小和共集电极晶体管输出阻抗较小的特点,通过选取晶体管的结构和偏置电流,实现了输入、输出有源阻抗匹配.由于未采用占芯片面积大的电感,减少了芯片面积,芯片面积(含焊盘)仅为0.33mm×0.31 mm;由于共基极晶体管的噪声系数比共射极晶体管的噪声系数高,采用噪声抵消结构减少了其引入噪声.低噪声放大器在(0.6~3)GHz工作频带内,增益为17.8~19.2dB,增益平坦度为±0.7dB;有源输入、输出匹配良好;在整个频段内,无条件稳定.     

UVCVD/UHVCVD技术制备SiGe HBT材料

介绍了一种新的制备SiGe/Si材料的化学气相沉积技术．该技术组合了紫外光化学气相沉积和超高真空化学气相沉积两种技术的优点,具有超高真空背景和低温淀积的特点．应用该技术在10^-7Pa超高真空背景、450℃淀积温度及低于10Pa反应压力的条件下,外延生长了器件级SiGe HBT材料．SIMS分析表明,材料层界面清晰,Ge组分和掺杂分布平坦．此外,还研制出了SiGe HBT器件．     

SiGe异质结双极晶体管频率特性分析

在分析载流子输运和分布的基础上,建立了物理意义清晰的各时间常数模型．模型体现了时间常数与SiGe异质结双极晶体管结构参数及电流密度之间的关系,并且包含了基区扩展效应．同时对特征频率与上述参数之间的关系进行了模拟分析和讨论．     

具有高电流增益-击穿电压优值的新型应变Si/SiGe HBT

为了改善器件的高压大电流处理能力,利用SILVACOTCAD建立了应变Si/SiGe HBT模型,分析了虚拟衬底设计对电流增益的影响.虚拟衬底可在保持基区-集电区界面应力不变的情况下实现基区Ge组分的高掺杂,进而增大电流增益.但器件的击穿电压仍然较低,不利于输出功率的提高和系统信噪比的改善.考虑到集电区设计对电流增益影响不大但与器件击穿电压密切相关,在采用虚拟衬底结构的同时,对器件的集电区进行选择性注入设计.该设计可在集电区引入横向电场,进而提高击穿电压.结果表明:与传统的SiGe HBT相比,新器件的电流增益和击穿电压均得到显著改善,其优值β·V_CEO。改善高达14.2倍,有效拓展了微波功率SiGe HBT的高压大电流工作范围.     

改善放大器噪声性能的SiGe HBT几何参数优化设计

研究有源器件SiGe HBT的几何参数对单片低噪声放大器(LNA)噪声性能的影响.基于0.35μm SiGe BiCMOS工艺,研制了4款采用不同几何参数的SiGe HBT LNA.实验结果显示,在给定的偏置条件下,当发射极宽长比较小时,小范围改变发射极宽度对噪声系数(NF)改善微弱,但适当增长发射极条长和增加发射极条数明显降低了NF,且不牺牲增益.另外,与采用其他几何尺寸的SiGe HBT LNAs相比,选用器件发射极面积为A_E=4μm×40μm×4的LNA性能最优,在0.2~1.2 GHz内获得低至2.7 dB的噪声系数,高达26.7 dB的相关增益和最接近于50Ω的最佳噪声源阻抗.由于没有使用占片面积大的电感,放大器芯片面积仅为0.2 mm².     

发射极指分段与非均匀指间距组合的Si Ge HBT设计及热分析

为了增强多发射极指SiGe HBT的热稳定性,提出了发射极指分段与非均匀指间距组合的新型器件结构.使用有限元方法对新型结构的SiGe HBT进行热分析,得到了发射极指上的三维温度分布.结果表明,与传统的完整结构及发射极指分段和均匀指间距组合的结构相比,新型结构明显降低了最高结温,温度分布更加均匀,使有源区整体热流分布更加均匀合理,有效地提高了器件的热稳定性.     

横向结构参数对SiGe HBT小信号模型参量的影响

为了分析了发射极条宽、条长、条数等横向结构参数对SiGe HBT小信号模型参数的影响,通过Jazz 0.35μm BiCMOS SiGe HBT的Y参量,得出了在不同横向结构参数下SiGe HBT的小信号模型参数.结果表明:增加发射极条宽、条长、条数时,小信号模型中的等效电阻值减小、等效电容增大、跨导也增大.在此基础上,分析了SiGe HBT横向结构参数对合成的有源电感特性的影响.在设计不同性能的有源电感时,所得结果对有源器件横向结构参数的选取有一定的指导意义.     

低温生长SiO_2膜的性质及其在SiGe/Si HBT研制中的应用

用磁控溅射SiO2膜作为台面SiGe／SiHBT的表面保护纯化膜和光刻掩膜．测试分析了溅射工艺对SiO2膜的性质和SiGe／SiHBT性能的影响．研究发现,较高的衬底温度（200℃）有得于改善SiO2膜的质量．用溅射SiO2方法制备的HBT的电流增益明显高于用热分解正硅酸乙脂方法淀积SiO2制备的HBT．这说明溅射法避免了高温引起SiGe层应变驰豫所造成的HBT性能变差．     

无螺旋电感的小面积SiGe HBT宽带低噪声放大器

设计了一款无螺旋电感的1~6 GHz频段的小面积高性能SiGe HBT宽带低噪声放大器(wideband low noise amplifier,WLNA).采用具有优良阻抗匹配特性的共基放大器作为输入级,并采用噪声抵消技术抵消其噪声达到输入噪声匹配;共射放大器作为输出级,有源电感替代螺旋电感实现电感峰化技术来扩展频带宽度、提高增益的平坦度.基于Jazz 0.35μm SiGe BiCMOS工艺,完成了版图设计,WLNA的版图尺寸仅为105μm×115μm,与使用螺旋电感的WLNA相比,芯片面积大大减小.利用安捷伦公司的射频/微波集成电路仿真工具ADS进行了验证.结果表明:该WLNA在1~6 GHz频段内,S₂₁>16 dB,NF<3.5 dB,S₁₁<-10 dB,S₂₂<-10 dB.对于设计应用于射频前端的小面积、低成本、高性能的单片WLNA具有一定的指导意义.     

一种低噪声GaAs HBT VCO的设计与实现

为了降低双极型工艺中二极管对相位噪声的影响,实现了一种工作在K波段的全集成差分压控振荡器．该振荡器基于砷化镓异质结双极晶体管工艺来实现,电路采用改进的π形反馈网络来提高振荡回路的品质因数,降低了压控振荡器的相位噪声,并补偿了电路本身存在的180°相位偏移．芯片的频率变化范围为23.123GHz到23.851GHz,最大输出功率为-1.68dBm; 整个电路由-6V的电源供电,直流功耗为72mW,控制电压为-3V时相位噪声为-103.12dBc／Hz@1MHz,芯片面积为0.49mm²．文中采用的电路结构能够降低双极型工艺中二极管对压控振荡器相位噪声的影响,在不牺牲压控振荡器调谐宽度的情况下可实现低的相位噪声．     

500V沟槽阳极LIGBT的设计与优化

介绍一种双外延绝缘体上硅(silicon on insulator,SOI)结构的沟槽阳极横向绝缘栅双极型晶体管(trenchanode lateral insulated-gate bipolar transistor,TA-LIGBT).沟槽阳极结构使电流在N型薄外延区几乎均匀分布,并减小了元胞面积;双外延结构使漂移区耗尽层展宽,实现了薄外延层上高耐压低导通压降器件的设计.通过器件建模与仿真得到最佳TA-LIGBT的结构参数和模拟特性曲线,所设计器件击穿电压大于500 V,栅源电压V_gs=10 V时导通压降为0.2 V,特征导通电阻为123.6 mΩ.cm².