摘要：在Si／SiGe／Si HBT与Si工艺兼容的研究基础上，对射频Si／SiGe／Si HBT的射频特性和制备工艺进行了研究，分析了与器件结构有关的关键参数寄生电容和寄生电阻与Si／SiGe／Si HBT的特征频率fT和最高振荡频率fmax的关系，成功地制备了fT为2．5 GHz、fmax为2．3 GHz的射频Si／SiGe／Si HBT，为具有更好的射频性能的Si／SiGe／Si HBT的研究建立了基础。
关键词：Si／SiGe／Si HBT；特征频率fT；最高振荡频率fmax
Si／SiGe／Si HBT（heterojunction bipolartransistor）是在Si基上以Si作发射区和集电区，以SiGe作基区的异质结双极型晶体管［1，2］，由于器件的特征频率fT和最高振荡频率fmax决定了其适用的频率段，因此研究器件的关键结构参数与Si／SiGe／Si HBT的fT和fmax的关系有着重要的意义。具有良好的射频性能的Si／SiGe／Si HBT作为一种诱人的新型器件必将引起广泛的注目，并在移动通讯中有着很大的发展前途。本文在对Si／SiGe／Si HBT及其Si兼容工艺的研究基础上［3］，对射频Si／SiGe／Si HBT的fT和fmax进行了研究，并对射频Si／SiGe／Si HBT进行了工艺制备，为具备更好的射频性能的Si／SiGe／Si HBT的研究打下了良好的基础。
1射频Si／SiGe／Si HBT的关键结构参数与Si／SiGe／Si HBT的fT和fmax的关系
射频Si／SiGe／Si HBT的纵向结构为台面结构如图1所示，这样的台面结构具有表面电流小，无侧壁寄生电容以及工艺简单的特点。在图中给出了寄生电阻和寄生电容的分布情况，图中LE和SE分别为发射区的长度和宽度，wE、wB和wC分别为发射区、基区和集电区的厚度，SB为基区接触电阻的宽度，SEB为该电极与发射区的横向间距，wSUB为从衬底引出的集电区接触电极与外基区的横向间距，RE为准中性发射区的体电阻，re为正向工作时发射结的动态电阻，RCS为准中性集电区体电阻和衬低体电阻之和，RB1为准中性内基区的体电阻，RB2为准中性外基区的体电阻，CTe为发射结势垒电容，集电结势垒电容分为两部分，采用分布式电容表示，其中CTc1为集电区与内基区形成的势垒电容，CTc2为集电区与外基区形成的势垒电容。
n型Si发射区的掺杂浓度为5×1017cm－3，wE为150 nm，p型SiGe基区的掺杂浓度为3×1019cm－3，wB为180 nm，n型Si集电区的掺杂浓度为1×1017cm－3，wC为400 nm。n型衬底的掺杂浓度为1×1020cm－3，wSUB为300μm，为了避免基区杂质的外扩散所导致的寄生势垒，在基区———发射区之间和基区 ———集电区之间各引入了一本征SiGe层，厚度分别为50 nm和100 nm。SiGe中Ge的组份x为0．18。横向结构参数LE、SE、SEB、SB和SSUB分别为35μm、35μm、15μm、30μm和35μm。
器件少子总的少子渡越时间τec由本征少子渡越时间τint和非本征少子渡越时间τext两部分组成，而本征少子渡越时间τint可表示为
其中τe为发射区少子渡越时间，τb为基区少子渡越时间，τd为少子通过集电结空间电荷区的渡越时间；非本征少子渡越时间τext可表示为
这样一来，在对集电结势垒电容采用分布式电容表示后，特征频率fT可表示为
2Si／SiGe／Si HBT实验制备工艺
整个工艺流程主要分十三个步骤，四块掩膜版，具体如下，
（1）准备4片〈100〉晶向的Si片，直径为3 in，厚度为300μm，n型重掺杂，掺杂浓度为1×1020cm－3，将其清洗后烘干，作为衬底。
（2）采用固态源MBE技术，在衬底上一次性接连生长五层结构，从下往上依次为：
n-si集电区，掺锑，杂质浓度为1×1017cm－3，厚度wC为400 nm；
本征SiGe层，厚度分别为100 nm；
本征SiGe层，厚度分别为50 nm；
n－Si发射区，掺锑，杂质浓度为5×1017cm－3，厚度wE为150 nm。
在中间三层SiGe材料中，平均Ge的组份x为0．18，发射区、基区和集电区均采用即位式掺杂，如图2（a）所示。
（3）采用APCVD技术在发射区表面生长一层厚度为200 nm的SiO2保护层。
（4）用第一块掩膜版光刻整个有源区，并采用RIE干法刻蚀有源区以外的部分直至衬底，得到台面结构。
（5）用BOE腐蚀发射区表面上SiO2保护层，将其清洗后烘干，采用APCVD技术重新生长一层厚度为200 nm的SiO2保护层。
（6）用第二块掩膜版光刻发射区，然后采用各向异性腐蚀法对发射取以外的部分进行湿法腐蚀，腐蚀进到SiGe层后自停止，得到双台面结构。
（7）用BOE腐蚀发射区表面上SiO2保护层，将其清洗后烘干，采用APCVD技术重新生长一层厚度为200 nm的SiO2保护层。
（8）用第三块掩膜版光刻发射区、基区和集电区的金属引线孔，用BOE腐蚀引线孔处的SiO2层。
（9）蒸Al作为电极，厚度为1 000 nm。
（10）用第四块掩膜版反刻发射区、基区和集电区的金属电极，用磷酸腐蚀发射区、基区和集电区的金属引线孔以外的Al，如图2（b）所示。
（11）退火作合金热处理。
（12）以每个单管为单位进行划片。
（13）引线键合及封装。
3测试与分析
对封装好的射频Si／SiGe／Si HBT样品在主要由网络参数分析仪组成的测试系统中进行S参数的测试，然后在系统软件ADS中推算出其特征频率fT和最高振荡频率fmax，其直流偏置点为：VCE＝3 V，VBE＝0．75 V，与用MATHLAB系统软件理论计算的特征频率fT和最高振荡频率fmax的比较见表1。
比较的结果表明理论计算值比测试值要大，其主要的原因是在理论计算中没有考虑器件中的那些无法模拟的寄生效应，另外工艺中的偏差也同样会造成这样的比较结果。
4结论
综上所述，因为射频Si／SiGe／Si HBT的特征频率fT和最高振荡频率fmax比Si BJT高得多的特征，所以利用成熟的Si集成电路工艺技术制作射频Si／SiGe／Si HBT，在通信工程中日益受到人们的重视，有着非常广泛的应用领域，和诱人的应用前景。
