摘要：從Si材料到化合物半導(dǎo)體再到SiGe，微電子領(lǐng)域應(yīng)用對(duì)材料提出了很高的要求，而這些材料卻具有不斷優(yōu)化的性能，SiGe在高速發(fā)射和集成方面有很大的進(jìn)步，SiGe-HBT等新技術(shù)的實(shí)驗(yàn)與開發(fā)為新材料帶來了非常大的應(yīng)用空間。

1引言

隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展和生產(chǎn)工藝的發(fā)展，對(duì)于半導(dǎo)體材料的性能要求越來越高，領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)品的開發(fā)和人們的需求對(duì)于半導(dǎo)體材料在其電學(xué)特性上的要求也越來越高。在微電子領(lǐng)域，30多年以來，Si一直是半導(dǎo)體工業(yè)中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的半導(dǎo)體材料。盡管最早采用的是Ge，并且其他某些半導(dǎo)體材料也許具有較高的載流子遷移率、較大的載流子飽和漂移速度和較寬的禁帶寬度,但由于Si的許多優(yōu)良特性，利用Si能夠?qū)崿F(xiàn)最廉價(jià)的集成電路工藝,所以在整個(gè)微電子技術(shù)中，Si器件的應(yīng)用超過了97%。

然而不同的半導(dǎo)體材料具有不同的電學(xué)特性，也具有針對(duì)不同需求的應(yīng)用功能。在此同時(shí)，還誕生了很多新型半導(dǎo)體材料，比如SiC、SiGe，這些化合物半導(dǎo)體融合了元素半導(dǎo)體的強(qiáng)項(xiàng)性能，在微電子領(lǐng)域有更好的應(yīng)用。本文介紹的是SiGe材料的導(dǎo)電特性，分別從理論和實(shí)驗(yàn)應(yīng)用方面展開論述。

2理論研究和實(shí)驗(yàn)研究

2.1理論研究

雖然現(xiàn)在Si在微電子技術(shù)中占據(jù)著主導(dǎo)地位,但是由于其載流子的遷移率和飽和漂移速度較低，而且具有間接躍遷能帶結(jié)構(gòu),限制了它在若干方面的應(yīng)用。因此，在許多模擬電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是在高頻、高速方面(例如射頻功率放大器和激光器)，往往是GaAs、InP等化合物半導(dǎo)體起主要作用。然而化合物半導(dǎo)體技術(shù)難以大規(guī)模集成，同時(shí)，加工不便、成本較高，所以人們還是希望從Si技術(shù)中尋找出適應(yīng)高頻、高速需要的新技術(shù)。最早由IBM提出的SiGe技術(shù)在很大程度上滿足了這種需求。SiGe技術(shù)由于能夠在Si片上通過能帶工程和應(yīng)變工程改善Si的性能，同時(shí)又能夠采用成熟和廉價(jià)的Si工藝技術(shù)來加工，所以受到人們的極大關(guān)注。以下分析一下Ge組分對(duì)SiGe的影響：

一．Ge的帶隙寬度為0.67V，而Si的帶隙寬度為1.12V，所以其特性有較大的改善，便于作HBT的基區(qū)以提高發(fā)射效率。

二．Ge的電子遷移率是Si的2.6倍，空穴遷移率是Si的3.5倍，而器件的速度取決于在一定電壓下載流子被“推動(dòng)”而通過期間的速度，所以Ge的注入在很大程度上提高了發(fā)射速率，增大了電流增益。

三．同時(shí)因能帶作用，SiGe基區(qū)可以進(jìn)行高摻雜，使基區(qū)可以做的很薄，打打縮短了電子在基區(qū)中的渡越時(shí)間，所以器件速度得以大幅度提高。

增加電子和空穴的遷移率在理論方面帶來的利處有：

一．為實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)集成電路的超高頻和超高速性能，就需要提高其中場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的載流子遷移率。實(shí)際上，從某種意義上來說，增強(qiáng)載流子遷移率的措施是一種必不可少的手段。因?yàn)?a target="_blank">信號(hào)在集成電路中傳輸?shù)难舆t時(shí)間τd與信號(hào)的邏輯電壓擺幅Vm和載流子遷移率μ成反比,即:

τd∝CL/(μVm)

式中，CL是負(fù)載門扇出的輸入電容與寄生電容之和。邏輯門開關(guān)工作所耗散的能量(為Pdτd)必須大于使電容CL的狀態(tài)能夠發(fā)生轉(zhuǎn)換的能量(即等于CL所存儲(chǔ)的能量),即有:

Pdτd=CLVm2/2

可見，信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間與邏輯電壓擺幅成反比，而開關(guān)能量卻與邏輯電壓擺幅的平方成正比。這表明，縮短信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間和降低開關(guān)能量，在對(duì)邏輯電壓擺幅的要求上是矛盾的。因此，為了保證集成電路能夠穩(wěn)定地工作，不致因發(fā)熱而受到影響,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)亟档瓦壿嬰妷簲[幅(以減小開關(guān)能量)；但與此同時(shí)，為了保證集成電路具有較高的工作速度，只有提高載流子的遷移率來縮短信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間。所以，超高速場(chǎng)效應(yīng)邏輯集成電路必須采用具有較高載流子遷移率的器件。

2.2實(shí)驗(yàn)研究

1998年，研制出實(shí)用的射頻(RF)SiGe異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(SiGe2HBT)，并且在微電子技術(shù)的主流領(lǐng)域———CMOS集成電路中表現(xiàn)出越來越重要的作用。

SiGe-HBT的應(yīng)用很大程度上是理論研究的結(jié)果，但是既然已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)處，不得不說這屬于實(shí)驗(yàn)的范疇。通過數(shù)據(jù)資料不難看出由于頻率、速度、放大頻率以及寄生電容等本身存在若干固有的內(nèi)在矛盾，常規(guī)BJT難以實(shí)現(xiàn)超高頻、超高速，20世紀(jì)50年代提出來的HBT(異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管)是克服了常規(guī)BJT固有矛盾的一種雙極型器件。

SiGe-HBT是發(fā)射區(qū)用Si，基區(qū)用SiGe制作的一種異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管，即采用Si/SiGe異質(zhì)結(jié)作為發(fā)射結(jié)的晶體管。這種異質(zhì)結(jié)用作n-p-n型HBT的發(fā)射結(jié)，可大大提高晶體管的電流放大系數(shù),并使電流放大系數(shù)基本上與發(fā)射結(jié)兩邊的摻雜濃度無關(guān)。自從1983年IBM首先研制出SiGe2HBT以來，現(xiàn)在采用Si工藝制作的SiGe-HBT的高頻、高速性能已提高到接近III2V族化合物半導(dǎo)體HBT的水平(研究樣品的fT達(dá)到360GHz，預(yù)計(jì)有可能超過400GHz；產(chǎn)品的fT和fmax超過了100GHz)。SiGe-HBT的低頻噪聲(1/f噪聲)特性與Si2BJT的差不多，優(yōu)于GaAs2MES2FET和Si2MOSFET；而且，高頻熱噪聲也因?yàn)榛鶚O電阻很小而明顯降低。在實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用領(lǐng)域，另一個(gè)重要的SiGe發(fā)展方向就是把應(yīng)用于RF電路的SiGe-HBT和應(yīng)用于數(shù)字電路的Si-CMOS結(jié)合起來,即把模擬和數(shù)字功能集成到一個(gè)芯片上,實(shí)現(xiàn)所謂SiGe-BiCMOS技術(shù)。不僅可以優(yōu)化性能而且還比較容易集成，利用SiGe也能夠制出性能優(yōu)異的高速A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)然很多還處于實(shí)驗(yàn)階段，比如無線帶寬和數(shù)字通信等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

3總結(jié)

通過以上分析，可以見到：（1）SiGe新材料克服了Si應(yīng)用于超高頻、超高速方面的困難。（2）SiGe提高了半導(dǎo)體的發(fā)射效率，同時(shí)也解決了化合物半導(dǎo)體難以大規(guī)模集成的缺點(diǎn)。（3）在實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域，有大量的利用SiGe新材料的技術(shù)被開發(fā)出來，如SiGe-HBT，在工藝領(lǐng)域有很重要的應(yīng)用。簡(jiǎn)而言之，,SiGe是繼Si、GaAs之后一種重要的半導(dǎo)體材料。利用SiGe微電子技術(shù),有可能使Moore定律的有效性得以延長(zhǎng)。所以,SiGe半導(dǎo)體對(duì)于微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展具有極其重要的意義。

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