A technológia hatása a bipoláris tranzisztor paramétereire

Átírás

1 A technológia hatása a bipoláris tranzisztor paramétereire Készítette Katona József Mikro és nanotechnológia október 2.

2 A bipoláris tranzisztor alkalmazási területei Nagyáramú, nagyteljesítményű áramkörök Nagysebességű digitális technika (ECL, BiCMOS) Rádiófrekvenciás alkalmazások (erősítők) Referenciaforrások Egyéb, jelentős áramot igénylő alkalmazások

3 Sebesség optimalizálása cél: az f T határfrekvencia és az f max maximális oszcillációs frekvencia növelése β [ db] f T 1 τ B 1 τ EB f T log f f T áramfüggése I C f T : β =1 ft [ 2π ( τ + τ + τ + τ )] 1 = EB BC B C τ BC kt = C BC + re + rc qic τ EB = C EB kt qi C τ B = W 2D 2 B e τ C = W 2v C s

4 Sebesség optimalizálása cél: az f T határfrekvencia és az f max maximális oszcillációs frekvencia növelése G max [ db] f max f max log f f max áramfüggése I C f max f 8πR B T C BC Technológia marad, geometria változtatása sebesség növelése Technológia változtatása (mélységi struktúra, anyagok, gyártási mód)

5 A rajzolat geometriájának optimalizálása A geometriával befolyásolható tranzisztorparaméterek: AC paraméterek áramerősítés kapacitások értéke rezisztív elemek értéke határfrekvenciák Zajtényező termikus zaj csökkentése

6 Az XFAB technológiai könyvtár tranzisztorai qnb1 qnb2 qnb1ma qnb2ma qnb2mb qnb2mc qnb2sa qnb3sa qnbrob

7 Megfelelő technológia alkalmazása A bipoláris tranzisztor áramai: Emitter hatásfok Transzport hatásfok η E = I I En E <1 η tr I = I Cn En A =η η E tr 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

8 A heteroátmenetes bipoláris tranzisztor az emitter oldalán lévő anyag tiltott sávja szélesebb ( E G ) a bázis kevesebb lyukat tud injektálni abrupt átmenetnél a vezetési sávban potenciáltüske ( E C ) van, amely szűrőként viselkedik, kevesebb elektron jut át rajta (termikus emisszióval, illetve tunnelezéssel) fokozatos átmenetnél nincs tüske, ilyenkor E C =0

9 A heteroátmenet következményei Az emitter bázis átmeneten folyó áramok aránya I I h e HBT = I I h e homo e EG E kt C a lyukak nem rontják le az emitterhatásfokot, ezért a bázist erősebben lehet adalékolni, így csökken az r B bázishozzávezetési ellenállás (f max ), emiatt csökkenthető a bázis szélessége (emelkedik az r B, de csökken a bázis futási idő) az emitter adalékolása csökkenthető (C EB csökken) a heteroátmenethez használható anyagokban nagyobb az elektronok mozgékonysága (r E és r C kisebb lesz), illetve a bázisban erősebb gyorsító tér hozható létre Végeredményben jelentősen emelhető az f T és az f max határfrekvencia, de: a heteroátmenethez megfelelő anyagok kellenek a gyártási technológia bonyolultabb

10 Felhasználható anyagok Csökkenteni kell az átmenetnél fellépő rekombinációt, emiatt azonos rácsállandó kell

11 Jelenleg alkalmazott anyagok

12 AlGaAs/GaAs Jelenleg alkalmazott anyagok közel azonos rácsállandó, ezért többféle Al koncentráció mellett használható a E G 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

13 Jelenleg alkalmazott anyagok Si/SiGe kompatíbilis a Si technológiával, 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 emitter bázis átmenet zafír hordozó

14 MBE (Molecular Beam Epitaxy) Gyártási technológiák 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 (10 20 cm 3 ) p típusú adalékoláshoz berilium helyett ma már a szenet használják, mert kevésbé diffundál el a helyéről

15 Gyártási technológiák MOVPE (Metallo Organic 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 (Ultra High Vacuum CVD) az IBM találta ki a 80 as években, a Si/SiGe gyártáshoz használják gyakorlatilag az MBE és a MOVPE ötvözése

16 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 C BC kapacitás csökkentésére erősen adalékolt kollektor kontaktus

17 További gyakorlati megoldások a gyorsításra Emitter kontaktus méretének csökkentése (C EB csökken) Mesa struktúra alkalmazása (az áramerősítés javul) Emitter és báziskontaktus távolságának csökkentése (r B és az áramerősítés csökken) Kollektor méretének csökkentése (C BC csökken) Eredmény: f T és f max 233 GHz és 254 GHz

18 További gyakorlati megoldások a gyorsításra transferred substrate technológia mesa struktúra a kiindulás, emiatt r B és C BC kicsi a tranzisztort leveszik a szubsztrátról az emitter és a kollektor tetszőlegesen hozzáférhető (hűtés) a Schottky kontaktus behatárolja a kollektor vezető felületét, emiatt tovább csökken a C BC Eredmény: f T és f max 275 GHz és 293 GHz Mindez 1 µm es emitterrel, 30 nm csatornahosszú HEMT rekord 350 GHz

19 További gyakorlati megoldások a gyorsításra Alámarás alkalmazása mesa struktúra a kiindulás, emiatt r B és C BC kicsi a bázis alól kimarják a kollektor egy részét, csökkentve ezzel a C BC t alternatív megoldásként protonbombázással elroncsolják a kollektor egy részét, szintén behatárolva ezzel a vezető területet

20 A HBT felhasználási területei Digitális technika frekvenciaosztók AlInAs/GaInAs frekvenciaosztó 48GHz en, transferredsubstrate technológiával AlInAs/GaInAs statikus frekvenciaosztó 80.1 GHz es működési frekvenciával, alámarásos technikával InP/InGaAs 4:1 osztó IC 80 GHz en Si/SiGe frekvenciaosztó 50 GHz en BiCMOS integrált áramkörökben Si/SiGe (pl. standard cellák meghajtó fokozata)

21 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 DHBT nél 70 V/ 5x10 4 Acm 2 is lehet) alacsony tápfeszültségű alkalmazások (AlInAs/InGaAs) AlInAs/GaInAs erősítő, transferred substrate, 80 GHz es sávszélesség, 180 és 320 GHz f T vel és f max val optoelektronika, lézeres meghajtás frekvenciaszintézerek A/D konverterek

22 Jövőbeli fejlesztések AlInP/InP/GaInAs áramkörök 100 GHz es működési sebesség fölött bázisadalékolás gyakorlati határának növelése GaAsSb alkalmazásával (kisebb r B, így keskenyebb bázis lehet) kollektor kiürített réteg csökkentése, ezzel a futási idő javítása (C BC, letörési feszültség korlátoz) nagyobb tiltott sávú anyag használata a kollektorhoz (letörési fesz. növelése) hővezetés javítása: hűtőbordák alkalmazása (transferred substrate) magas hőmérsékleten is használható anyagok (GaN)