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硅衬底的RF晶体管性能趋势

摘要

这篇文章讨论了先进的硅衬底RF晶体管的性能的几个方面，回顾了SiGeHBTs和SiRFMOSFETS的性能，以及将他们与Ⅲ-Ⅴ族RF晶体管进行了对比。

速度与击穿电压的折中是双极型晶体管设计中非常典型，这里着重讨论了SiGeHBTs。

在场效应晶体管方面，我们回顾了最先进的SiRFMOSFETS，同时展示了这种器件在速度和截止频率上的竞争力。

目录

1．介绍

2．SiGeHBTs对比III–VHBTs

3．SiGeHBTs的集电结的优化

4．SiRFMOSFETs对比GaAspHEMTs.

5．结论

1介绍

15年前，RF晶体管的领域被Ⅲ-Ⅴ族晶体管所垄断。

Si双极晶体管在低GHz范围内的应用是Si衬底的RF晶体管的唯一商业应用。

从那时起，形势发生了翻天覆地的变化，最近SiGeHBTs和SiRFMOSFETs被广泛的接受作为RF器件。

为了说明Si衬底的RF晶体管的频率特性以及它是如何与Ⅲ-Ⅴ族晶体管竞争的，图1和图2展示了SiMOSFETs,SiGeHBTs,III–VFETs,andIII–VHBTs所报道的最好的截止频率fT和最大震荡频率fmax。

图1和图2的数据来自于两个关于所有正在使用或者还在研发的相关RF晶体管类型的综合的数据采集[1,2]。

fT和fmax数据沿时间轴的变化明显的显示Si衬底的和III–V族的RF晶体管的频率极限在持续的增加。

更仔细的分析那些数据可以发现很多有趣值得关注的细节。

III–V族TEFs的fT和fmax数据是只来自于InPHEMTs,GaAsMESFETs,AlGaAs/GaAsHEMTs,以及GaAspHEMTs（pseudomor-phicHEMTs）的fT都低于200GHz，而且他们的最好fmax数据低于350GHz。

III–V族HBTs的fT和fmax数据也仅来自与InP晶体管。

唯一的例外就是90年代的fmax记录来自于GaAsHBTs。

目前的fT和fmax记录如下

–fT562GHz[3]andfmax600GHz[4]forInPHEMTs,

–fT550GHz[5]andfmax687GHz[6]forInPHBTs,

–fT380GHz[7]andfmax350GHz[8]forSiGeHBTs,

–fT330GHz[9]andfmax320GHz[9]forSiMOSFETs.

值得注意的是图1和图2中III–V族HBTs是使用传统的设计，并不是那些使用了成熟的转换衬底工艺的HBTs。

最近报道在实验室InP转换衬底的HBTs有接近1GHz的fmax，这是被报道的最高的fmax。

我们可以观察到Si衬底的RF晶体管都在200GHz以上。

仅仅几年前，这样的说法被认为是天方夜谭。

在下面的文章中，我们将对Si衬底的RF晶体管的一些特殊方面做深入分析。

尤其讨论了SiGeHBTs的特性，同时将其与GaAs和InPHBTs进行了对比。

我们也将讨论SiGeHBTs的关于截止频率和击穿电压BVCEO的折中和集电结优化设计的选择。

我们将展示一个仿真研究，这个研究将fT、fmax和BVCEO同时考虑了进去。

最后，回顾SiRFMOSFETs频率极限和噪声指数同时将与GaAspHEMTs进行对比。

2SiGeHBTs对比III–VHBTs

在很多情况下，一个HBT同时呈现高fT和fmax是很重要的，如fT≈fmax。

为了阐明高性能SiGe,GaAs和InPHBTs在多大程度上能满足这一要求，图3是fmax-fT图，每个数据点表示一个晶体管的fT和fmax。

最好的GaAsHBTs的最大震荡频率超过200GHz，但是它的截止频率却限制在150GHz。

SiGeHBTs最高的fT和fmax是在300GHz附近，最好的InPHBTs超过400GHz。

换句话说，SiGeHBTs的fT和fmax明显超过GaAsHBTs，而InPHBTs是频率极限的最优器件。

最小噪声指数NFmin是另外一个重要的高频性能指数。

除过那些令人印象深刻的高fT和fmax外，SiGeHBTs在GHz频率内同样表现出非常低的噪声指数。

目前报道的最好的噪声性能是IBM的研究者做出的，他们报道的SiGeHBTs的在10、20和26GHz时的最小的噪声指数分别是0.2、1.1和1.15dB。

同时测得的增益是13.9、9.7和7.2dB.这些噪声指数明显低于其他类型的RF双极晶体管，与GaAspHEMTs形成竞争。

也许SiGeHBTs的唯一严重缺点就是它的相对较低的击穿电压。

图4展示了不同的双极型RF晶体管截止频率，截止频率是作为集电结-发射结击穿电压BVCEO函数。

尽管集电结-基区击穿电压BVCBO被认为是双极型晶体管的更实际的上线电压，图4的fT-BVCEO曲线仍然具有指示性，因为通常具有高BVCEO的晶体管都表现出高的BVCBO。

从这张图，我们可以容易的确定双极型晶体管的关于高速和高击穿电压的折中。

设计高截止频率的双级型晶体管时除了使用窄的基区以外，还经常使用高注入集电结来获得比较窄的集电结-基区空间电荷区。

这样就可以得到小的电结-基区穿越时间，从而得到高的fT。

另一方面，在窄的空间电荷区里的电场强度十分高。

这样就导致高的载流子能力，高的冲撞离子化速率，最后降低了高fT的击穿电压。

好的SiGeHBTs在集电结-发射结击穿电压为5V时的fT在50GHz左右，而GaAsHBTs可以达到150GHz，在同样的击穿电压下，InPHBTs更是达到了高于300GHz的fT。

低的击穿电压限制了SiGeHBTs在功率放大器领域的应用。

而III–VHBTs有明显的优势。

特别是GaAsHBTs，其在商用的功率放大器领域非常流行。

这种器件经常被用在手持无线通讯系统的功率放大器中.

3SiGeHBTs的集电结的优化

我们已经阐述了双极型晶体管存在着一个速度和击穿电压的折中，特别是高速SiGeHBTs的低击穿电压。

这就导致我们去询问集电结设计的优化是否可以在改进截止频率的情况下不影响击穿电压。

为了解决这一问题，我们用商用器件仿真器ATLAS实施了一个仿真的研究。

SiBJTs和SiGeHBTs的DC和小信号特性已经用流体传输模型和Katayama–Toyabe冲击离子化模型仿真过了。

为了验证我们选择的模型和模型参数是否合适，图5展示了一个40GHz的fT的SiGeHBTs，测量结果和仿真结果的对比。

击穿电压和高频特性的仿真和实验都准确契合。

下一步仿真了有不同集电结注入的SiGeHBTs的fT和BVCEO。

模型晶体管发射结长度是0.5μm，发射结和基区接触的横向间隔是0.75μm，75nm的分级SiGe基区，1.5μm的集电结下面的一个高注入的亚集电结。

图6是两个集电结变量设计的仿真的fT-BVCEO曲线。

-常量集电结注入常量注入等级从5×

变化到5×

-阶梯集电结注入界面（在基区面是5×

，在亚集电结面是5×

）。

低注入的区域的长度从10nm变化到500nm。

从图6我们可以得到，集电结设计的基本类型（常量或阶梯式注入）、集电结注入水平（常量注入）和注入阶梯的位置（阶梯式注入）都会影响fT-BVCEO特性。

在2V的击穿电压附近，阶梯式注入的截止频率比常数注入的截止频率多了接近35%。

集电结注入层的变化不仅影响fT同时也影响fmax。

表1展示了两个不同常数注入浓度和两个不同的阶梯式集电结注入的SiGe模型的仿真BVCEO，ft，fmax。

表1的数据清晰的说明最佳的集电结层不仅仅是fT-BVCEO关系，同时fmax也应该被考虑进去。

这个问题我们做了研究，我们仿真了两个SiGeHBT（上面讨论的HBT模型叫做HBT1，后面设计的HBT叫做HBT2），和两个传统基本设计的SiBJTs（BJT1和BJT2）。

BJT1和BJT2与SiGeHBT模型相同的横向的和垂直的尺寸，而HBT2的有更窄的基区（20nm）和集电结层（100nm）。

在BJT1中扩散是电子传输过基区的主要机理，而在BJT2中，基区迁移电场起作用。

对于四个晶体管的设计中，如下显示3个集电结注入层变量：

（a）如上常数集电结注入

（b）注入5×

分级集电结注入层在集电结-基区结，分级区域沿集电结方向注入浓度以指数级增长（HBTs达到5×

，BJTs达到8×

）分级区域的长度从100nm变化到500nm

（c）阶梯式集电结注入层（HBTs就如前面所述，BJTs中在基区面参杂浓度为5×

，在亚集电结区是8×

）。

总共做了12个仿真

改变集电结设计的参数：

如注入等级（a），分级区域的长度（b），低参杂区域的长度（c）,直到SiBJTs得到3.5V的BVCEO，SiGeHBTs得到2V的BVCEO。

图7展示了这种情况下的仿真的fmax-ft曲线。

从图中可以看出，HBTs的最佳集电结层可以在不改变BVCEO的情况下改善fmax-ft。

例如HBT2。

尽管如此，改进还是很有限的，而且即使是最优化的集电结的SiGeHBT也不能追上一个精心设计的III–VHBTs。

另外两个研究的BJTs，集电结注入优化只带来了一点点ft的改进，同时fmax的减少。

4SiRFMOSFETs对比GaAspHEMTs.

传统上讲，都认为SiMOSFETs是慢速器件，并不适合RF应用。

对于这一看法有很多原因。

第一，Si中的电子迁移率天然的低于III–V族化合物。

第二,MOSFETs中的电流是在接近Si/SiO2界面的反型沟道里面流动，这里载流子要承受界面粗糙效应，界面陷阱，和晶格缺陷，导致迁移率大大降低。

在过去的几年中，多亏了特征尺寸的大规模减小以及CMOS技术的工艺使得SiMOSFETs具备作为RF器件的能力。

栅小于100nm的MOSFETs的截止频率和最大震荡频率都超过了100GHz，同时也有低的噪声指数。

图8是实验中截止频率和最大震荡频率随栅长变化图。

为了能了解SiMOSFETs如何与GaAsRFFETs竞争，也将GaAspHEMTs的fmax和ft包括在内。

GaAspHEMTs是目前最流行的商用GaAs衬底的RFFETs。

它在速度和噪声方面都比传统的GaAsMESFETs和AlGaAs/GaAsHEMTs都要出色。

图8中有一些有趣的细节。

第一，栅长低于125nm时，SiMOSFETs的ft比GaAspHEMTs高出很多。

这是个意想不到的结果，因为GaAspHEMTs的InGaAs沟道的电子迁移率和最大漂移速度都比SiMOS反型沟道中的高出很多。

这表明对于场效应晶体管沟道内高迁移率和高的最大漂移速率不是唯一的先决条件。

哪种材料特性真正的而且在多大程度上影响晶体管的速度这样的一个问题依然没有得到满意的答复。

15年前，FischettiandLaux尝试去搞清材料特性和晶体管速率的之间关系。

奇怪的是，从那以后，很少有人再在这个重要的问题是做出努力。

回到图8，我们观察到栅长低于100nm的SiMOSFETs的最大震荡频率非常具有竞争力。

我们来自己分析一下SiMOSFETs的fmax数据。

到2000年MOSFETs的fmax想当中等，而且和栅长没有明显的关系。

一个主要的原因是90年代，SiMOSFETs的栅极设计没有优化过导致晶体管的栅极电阻很高。

那时0.5-μm的栅的晶体管的最高的是66GHz但是却只有20GHz。

自从2001年开始在SiMOSFETs的优化上做了很多的努力，特别是栅极的设计和改善它们的RF特性。

表2汇总了有报道的最好的ft-fmax特性数据。

在过去的几年中，SiMOSFETs的噪声特性也有大幅度的提升。

图9展示了有报道的最好的随频率变化的最小噪声指数。

在高于10GHz时，最小噪声指数小于0.5dB，高于26GHz时，最小噪声指数小于1dB。

对于很多应用这已经是非常低了。

尽管如此，在高于10GHz的频段内SiMOSFETs的噪声仍然高于GaAspHEMTs。

传统意义上讲，SiGeHBTs的噪声指数小于SiMOSFETs，但是2005年最新的MOSFET噪声数据非常具有竞争力。

到目前为止，那些在高频率工作而且需要极低噪声指数的应用，都更习惯于选择SiGeHBTs和III–V族HEMTs而不是SiMOSFETs。

尽管如此，最近，SiMOSFETs的RF增强特性也使得这些器件在低GHz范围内的RF应用非常具有吸引力。

特别是在那些需要高集成度的市场领域。

SiMOSFETs是其他RF晶体管的强劲的竞争对手，例如SiGeHBTs。

拥有最先进的MOSFETs技术的芯片制造商已经推断SiRFMOSFETs将会全部替代SiGeHBTs。

5结论

最近几年，Si衬底的RF晶体管的RF性能有了大幅度的提高。

同时SiGeHBTs的频率极限超过了300GHz，SiRFMOSFETs的频率极限也超过了200GHz。

Si衬底的RF晶体管的RF噪声特性也改进了很多。

Si衬底的RF晶体管成功的进入了曾经被III–V族器件统治的频率范围。

除过击穿电压，与GaAsHBTs相比，SiGeHBTs的RF特性更好—SiGeHBTs更快，更低的噪声。

SiRFMOSFETs在速度方面也优于GaAs衬底的RFFETs。

Metamorphic-GaAsHEMTs（GaAsmHEMT）是唯一的GaAs衬底的FETs的ft和fmax高于SiMOSFETs的。

这种晶体管还在研发当中还，还没有商业化。

尽管如此，商用GaAsmHEMT在未来非常值得期待。

与GaAspHEMT相比，GaAsmHEMT有更好的RF特性。

事实上GaAsmHEMT在GaAs衬底提供了一种类InP特性的，同时在花费上也有明显的优势。

这些令人印象深刻的Si衬底的RF晶体管不仅仅限于几个实验器件。

相反的是，SiGeHBTs和SiRFMOSFETs都是大规模生产且大范围的商业应用。