砷化镓HBT的VBIC模型研究.pdf

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）02-0188-04InvestigationofGasHBTVBICmodelHuangFengyi1KongXiaoming1JiangJunjie1JiangNan2（1InstituteofRFandOE-ICs，SoutheastUniversity，Nanjing210096，China）（2S-TEK（Shanghai）High-freuencyCommunicationTechnologyLtd.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mInGP/GasHBT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（erlyeffect）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-heting）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.GasHBT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（usi-sturtion）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 bse） 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 bse resistnce，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（substrte），基极 B（bse），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 bse）、寄生基极 B p （prsitic bse），本征基极B i （intrinsic bse）、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