微波功率sige hbt和基于虚衬底sige hpt研制论文

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1、摘要随着无线通信和光纤通信技术的发展与融合，对组成通信系统的光电子器件性能和成本的要求日益提高。传统的Si材料器件以其成熟的工艺技术具有高集成和低成本优势，但是由于受到Si材料自身特性和器件结构的限制，无法满足高速的要求。SiGe异质结晶体管(HBT)禾U用了能带工程和成熟的Si微电子工艺，频率特性得到了质的飞跃，在无线通信领域得到了广泛应用；与此同时，引入具有内部增益的SiGe异质结光晶体管(HPT)，发挥与SiGeHBT结构工艺完全兼容的优势，拓展了Si基材料和器件在光纤通信领域的应用。但是，SiGeHPT由于吸收区Ge组分和厚度受到S

2、i衬底的限制，在光纤通信波段无法获得较高的响应度。本文以提高SiGeHBT的功率和频率特性、SiGeHPT的响应度和响应波长为目的，在SiGeHBT和HPT理论设计、材料制备和器件研制三方面开展了研究工作。取得了以下主要成果：(1)参与完成了新型国产双生长室UHV／CVD系统的安装与调试，并通过大量的生长实验优化了SiGe材料的生长条件，总结出Ge组分、生长速率和掺杂浓度随源流量、温度等条件的生长动力学规律，为SiGeHBT和HPT的制备奠定了材料基础。(2)设计并制备了工作在L波段(1～2GHz)的微波功率SiGeHBT。定量研究了Ge组

3、分对SiGeHBT性能的影响，发现当基区Ge组分从O．20增加到0．23时，导致SiGeHBT电流增益从60提高到158。当基极为电压和电流输入时，观察到SiGeHBT分别呈现正、负两种相反的热电反馈现象，并采用电压源与电阻串联的输入方式，实现了SiGeHBT自加热特性的自补偿，解决了功率SiGeHBT自加热问题。(3)采用氧化法制备了高质量Si基和SOI基SiGe弛豫衬底，并建立了SiGe氧化动力学模型。在模型中首次引入了氧化物中应力的作用，发现并证实了SiGe氧化速率增强是由于氧气在氧化物中的扩散激活能较低所导致，修正了以往人们认为由于

4、Ge．Ge键能比Si．Si键能更弱的观点，并合理解释了一直颇具争议的SiGe氧化自停止现象。(4)系统地研究了SiGe弛豫衬底二次外延中表面热处理方法。发现了高温脱氧时SiGe薄膜表面形成Ge岛，通过改变SiGe薄膜中的Ge组分可实现Ge岛大小和密度的调控，为制备Ge量子点提供了新的方法；而采用高温脱氢时，发现SiGe表面形成坑，通过优化脱氢温度在550℃获得良好的表面形貌，并应用于高质量SiGe材料的二次外延，解决了SiGe弛豫衬底二次外延中表面处理这一难题。(5)创新性地提出了基于SiGe虚衬底的SiGeHPT，对器件特性进行了系统的模

5、拟分析，并在氧化法和低温Ge缓冲层法制备的SiGe弛豫衬底上完成了这种新型器件的制备。SiGeHPT的击穿电压BVcEo达到14V，暗电流密度在．5V偏压时为4mA／cm2。在1．559rn波长处SiGeHPT的响应度为1．94mA／W，实现了以量子阱作为吸收区的SiGeHPT在1．559m波长的响应，比目前报道的SiGeHPT在相同的入射方式下获得的最高响应度提高了20倍。关键词：硅锗；异质结晶体管；异质结光晶体管；硅锗氧化；硅锗虚衬底；表面热处理；超高真空化学气相沉积系统AbstractThecommunicationmarkethas

6、experiencedasubstantialandrapidgrowthoverthepastfewyears，whichwillrequirehigherspeedandlowcostsemiconductordevicesinthefuturecommunicationunits．Oneofthesolutionstomeettheserequirementsistheconceptofacompletecommunicationsystemintegratingelectrondevicesandoptoelectronicdevi

7、cesonasinglechip．Thesuccessfuldevelopmentoflligh—speedSiGeheterojunctionbipolartransistor(HBT)hasprovidedtheopportunitytointegrateRF／microwavecircuitsandCMOSlow—powercircuitonasinglechipinthewirelesscommunicationunits．Atthesametime，SiGeheterojunctionbipolarphototransistor(

8、HPT)withhighexternalquantumefficiency,lownoiseandcompatibilityofthedevice’Sepitaxialstruc