第35卷第2期2005年3月东南大学学报(自然科学版)JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition)Vol.35No.2Mar.2005砷化镓HBT的VBIC模型研究黄风义1孔晓明1蒋俊洁1姜楠2(1东南大学射频和光电集成电路研究所,南京210096)(2爱斯泰克(上海)高频通讯技术有限公司,上海201203)摘要:利用国际先进的2!mInGaP/GaAsHBT工艺加工生产线进行了晶体管芯片的加工,并在器件测试的基础上开展了模型参数的提取.所研究的模型主要是针对异质结双极晶体管器件HBT特别是砷化镓异质结双极晶体管器件,在对常用的几种器件模型,如EM模型、GP模型和VBIC模型的特点做比较的基础上,详细介绍了一种基于IC-CAP系统的准确提取VBIC模型的方法.利用提取的VBIC模型对所制备器件进行了模拟仿真,仿真结果与测试结果相比较二者可以很好吻合至20GHZ.关键词:异质结双极晶体管器件;VBIC模型;参数提取中图分类号:TN386文献标识码:A文章编号:1001-0505(2005)02-0188-04InvestigationofGasHBTVBICmodelHuangFengyi1KongXiaoming1JiangJunjie1JiangNan2(1InstituteofRFandOE-ICs,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)(2S-TEK(Shanghai)High-freuencyCommunicationTechnologyLtd.Company,Shanghai201203,China)bstract:ThisarticlecomparesthecharacteristicsofGP(Gummel-Poon)modelandVBIC(verti-calbipolarInter-company)modelforhetero-junctionbipolartransistors(HBT),especiallyforIn-GaP/GaAsHBT.TheproceduresforextractionofVBICmodelparametersbasedontheIC-CAPsystemarealsointroduced.TheHBTchipwasmanufacturedinanadvanced2!mInGaP/GaAsHBTfoundryinoverseas.TheHBTdevicesweremeasuredandtheVBICmodelparameterswereextractedfromthemeasurementdata.ThesimulationresultsusingtheVBICmodelfitthemeasure-mentdatawellupto20GHZ.Keywords:HBT;VBICmodel;parameterextraction收稿日期:2004-06-25.基金项目:国家自然科学基金资助项目(604760)、江苏省自然科学基金资助项目(BK2004066).作者简介:黄风义(1964—),男,博士,教授,长江学者,博士生导师,fyhuang@seu.edu.cn.CMOS和双极晶体管BJT(bipolarjunctiontransistor)是现代半导体工业的2种重要器件.由于双极晶体管中的异质结双极晶体管器件HBT(hetero-junctionbipolartransistor)优越的高电压、大功率和高速性能,被广泛应用于高速电路、功率电路和微波射频系统.制备HBT器件几种常用的衬底材料及外延材料包括:硅基的SiGe/Si、砷化镓基的InGaP/GaAs或AlGaAs/GaAs以及InP基的InGaAs/InP等.其中,砷化镓衬底的HBT是目前广泛应用的无线通讯移动台功率放大器的核心组件.而锗硅HBT通过近10年的发展,显示了巨大的市场潜力.国内迄今为止在砷化镓器件加工和模型方面的工作主要限于GaAsMESFET[1]和PHEMT[2].因为国内缺少HBT特别是InGaP/GaAsHBT加工生产线,在相关的模型和流片方面的工作少有报道.在器件模型方面,HBT有多种国际标准模型,如Ebers-Moll(EM)模型、Gummel-Poon(GP)模型[3]和HICUM(highcurrentbipolarcompacttran-sistormodel)模型等.其中GP模型已经有超过20年的历史.但随着器件工艺的不断改进,GP模型越来越不能适应模拟先进HBT器件的要求.1995年开发出一种新的模型即VBIC(verticalbipolarin-ter-company)模型[4].本文针对异质结双极晶体管器件HBT,特别是砷化镓异质结双极晶体管器件,在对常用的几种器件模型,如EM模型,GP模型和VBIC模型的特点做比较的基础上,针对目前被工业界广泛应用的VBIC模型,详细讨论了一种基于IC-CaP系统的VBIC模型参数提取方法.同时,利用国际先进的2卜mInGP/GasHBT工艺线进行了器件芯片的加工,并完成器件测试及模型提取工作.所提取的VBIC模型能够与测试结果很好地吻合至20GHZ.在具体介绍各种模型以及参数提取方法之前,首先对一些重要效应以及名词做简单的解释:l)基区宽度调制效应(erlyeffect)由于Vce的增加使集电结的耗尽区宽度变宽,导致有效基区宽度减小.2)自热现象(self-heting)器件工作在大电流状态下,由于载流子的热效应引起器件自身温度升高.GasHBT在大电流下的负阻现象,通常被认为同自热现象有直接关系.3)类饱和效应(usi-sturtion)类饱和工作区定义为内(本征)基区集电区沟道正偏,外(非本征)基区集电区反偏.此时集电区轻掺杂的器件工作在高注入态.4)内基极或本征基极(intrinsic bse) 是指
同发射极的结区直接相连的基极部分. 基极的其余
部分则称为外基极或者非本征基极. 与之联系的参
数如电阻则相应称之为 intrinsic bse resistnce,即
内(基极)电阻或本征(基极)电阻,电容则称之为内
(基极)电容或者本征(基极)电容. 为统一起见,本
文将intrinsic 和extrinsic 分别称为本征和非本征.
! 模型介绍
EM 模型是一种非线性直流模型,其模型等效
电路包括2 个二极管和2 个电流源. 在EM 模型的
基础上再进一步考虑非线性电荷存贮效应、欧姆电
阻和各种二阶效应,即可构成 EM3 模型. EM3 同
GP 模型完全等价.
GP 模型建立在把终端电学特性和基区电荷联
系起来的积分电荷关系的基础上
[5]
. GP 模型是一
个三端口模型,包含有3 个电流源 I
cc
,I
bc
和 I
be
,2
个电容(分别与存储在基极和集电极端口间、基极
和发射极端口间的电荷G
bc
,G
be
有关),4 个串联电
阻,其中2 个分布在基区,另2 个各自位于发射区
和集电区.
GP 模型存在很多缺陷,其中没有考虑或者考
虑较简略的效应包括:①小尺寸的寄生电容;②集
电极电阻的调制效应;③衬底的寄生晶体管效应;
④高频效应、温度效应、雪崩效应、自热效应等. 此
外,随着基区宽度的减小,输出电导的模型有明显
偏差.
图l 给出了VBIC 模型的等效电路. 与 GP 模
型不同,VBIC 有4 个端子,衬底S(substrte),基极
B(bse),集电极C(collector),发射极E(emitter);
流过的电流分别称为 I
s
,I
b
,I
c
,I
e
. 其余节点还包
括:非本征基极 B
x
(extrinsic bse)、寄生基极 B
p
(prsitic bse),本征基极B
i
(intrinsic bse)、本征
发射极E
i
(intrinsic emitter)、本征集电极C
i
(intrin-
sic collector)和非本征集电极 C
x
(extrinsic collec-
tor).
VBIC 模型具有与GP 模型不同的一些自身特
点. 首先,GP 模型中没有考虑的衬底寄生 PNP 管,
在VBIC 模型中用一个简化的GP 模型来描述寄生
PNP 管(图l 中下脚标 p 所表示的参数). 此外,类
饱和效应通过R
ci
,G
bcx
以及修正过的G
bc
来描述
[6]
.
图! VBIC 模型的等效电路
9 8 l 第2 期 黄风义,等:砷化镓HBT 的VBIC 模型研究
除了通常的强雪崩电流,BC 结的弱倍增电流I
gc
也
被考虑进去. 超量相位则由 Weil-Mcnamee 近似得
到的一个二阶网络来表示
[7]
. 2 个定值的非本征电
容C
beo
和 C
bco
则用来描述双多晶硅(double poly-
silicon)等先进的硅双极晶体管工艺中多晶硅基极
的寄生电容. 本征基极电阻 R
bi
和 R
bip
分别由归一
化基极电荷g
b
和g
bp
来调节.
此外,自热现象是由一个外加的热网络来模拟
温度效应对模型中各组件的影响. VBIC95 并包含
了与GP 模型相类似的噪声模型,如散射噪声、热
噪声和1 / f 噪声.
同MOS 器件的可缩放(scalable)模型相比,
HBT 器件的 GP 模型和 VBIC 模型均不能按比例
缩放,只在HICUM 等模型中横向按比例缩放. HI-
CUM 模型基于扩展的积分电荷控制关系(general-
ized integral charge-control relation,GICCR),与GP
模型相比,此模型对积分电荷控制关系没有不适当
的简化,也不存在附加的拟合参数(例如 Early 电
压)
[8]
.
! VBIC 模型参数的提取与优化
VBIC 模型参数的提取可以通过IC-CAP 系统
来完成. 其过程包括一系列的 C-V,DC 和 S 参数
测试,对某些工艺参数的初始化以及利用宏(mac-
ro)进行所有模型参数的提取的具体过程如下:
1)结面参数 首先提取跟 EB 结和 BC 结空
间电荷区有关的参数. 在反向偏置和低正向偏置区
域,从C
be
-V
be
曲线,提取出C
je
,P
e
和M
e
;从C
bc
-V
bc
曲线,提取出C
jc
,C
jep
,P
c
和 M
c
;从 C
sc
-V
sc
曲线,提
取出C
jcp
,P
s
和M
s
. 然后优化以上参数.
2)寄生参数 从 I
s
-V
be
和 V
e
-I
c
曲线,提取非
本征集电极电阻 R
cx
;从 V
c
-I
e
曲线,提取发射极电
阻R
e
;测试不同基极偏压下的 S 参数以提取非本
征基极电阻R
bx
,本征基极电阻R
bi
和W
be
参数.
3)Early 效应参数 根据前面得到的结面电
容参数,配合正向及反向的输出特性曲线,计算正
向和反向Early 电压(V
ef
和 V
er
). 因为针对本模型
的Early 效应是在低注入下得到的,所以应在较低
偏置条件下来提取Early 效应的参数.
4)Gummel 参数 在 Gummel Plot 中的线性
区域(如低电压区域),其串联电阻和高电压效应
不重要,因此对电流传输提供了有效的信息. 从正
向 Gummel Plot 中提取以下参数:I
s
,N
f
,I
bei
,N
ei
,
I
ben
,和N
en
. 从反向 Gummel Plot 中提取以下参数:
I
s
,N
r
,I
bci
,N
ci
,I
bcn
,N
cn
,I
sp
,W
sp
,N
fp
,I
beip
,和 I
benp
,然
后优化这些参数. 提取时,电压范围通常是0. 4 ~
0. 8 V.
5)输出特性 从测试器件的输出特性曲线