关于锗化硅材料导电特性的综合描述

摘要：从Si材料到化合物半导体再到SiGe，微电子领域应用对材料提出了很高的要求，而这些材料却具有不断优化的性能，SiGe在高速发射和集成方面有很大的进步，SiGe-HBT等新技术的实验与开发为新材料带来了非常大的应用空间。

1引言

随着半导体材料的发展和生产工艺的发展，对于半导体材料的性能要求越来越高，领域内产品的开发和人们的需求对于半导体材料在其电学特性上的要求也越来越高。在微电子领域，30多年以来，Si一直是半导体工业中占绝对优势的半导体材料。尽管最早采用的是Ge，并且其他某些半导体材料也许具有较高的载流子迁移率、较大的载流子饱和漂移速度和较宽的禁带宽度,但由于Si的许多优良特性，利用Si能够实现最廉价的集成电路工艺,所以在整个微电子技术中，Si器件的应用超过了97%。

然而不同的半导体材料具有不同的电学特性，也具有针对不同需求的应用功能。在此同时，还诞生了很多新型半导体材料，比如SiC、SiGe，这些化合物半导体融合了元素半导体的强项性能，在微电子领域有更好的应用。本文介绍的是SiGe材料的导电特性，分别从理论和实验应用方面展开论述。

2理论研究和实验研究

2.1理论研究

虽然现在Si在微电子技术中占据着主导地位,但是由于其载流子的迁移率和饱和漂移速度较低，而且具有间接跃迁能带结构,限制了它在若干方面的应用。因此，在许多模拟电子技术领域，特别是在高频、高速方面(例如射频功率放大器和激光器)，往往是GaAs、InP等化合物半导体起主要作用。然而化合物半导体技术难以大规模集成，同时，加工不便、成本较高，所以人们还是希望从Si技术中寻找出适应高频、高速需要的新技术。最早由IBM提出的SiGe技术在很大程度上满足了这种需求。SiGe技术由于能够在Si片上通过能带工程和应变工程改善Si的性能，同时又能够采用成熟和廉价的Si工艺技术来加工，所以受到人们的极大关注。以下分析一下Ge组分对SiGe的影响：

一．Ge的带隙宽度为0.67V，而Si的带隙宽度为1.12V，所以其特性有较大的改善，便于作HBT的基区以提高发射效率。

二．Ge的电子迁移率是Si的2.6倍，空穴迁移率是Si的3.5倍，而器件的速度取决于在一定电压下载流子被“推动”而通过期间的速度，所以Ge的注入在很大程度上提高了发射速率，增大了电流增益。

三．同时因能带作用，SiGe基区可以进行高掺杂，使基区可以做的很薄，打打缩短了电子在基区中的渡越时间，所以器件速度得以大幅度提高。

增加电子和空穴的迁移率在理论方面带来的利处有：

一．为实现场效应集成电路的超高频和超高速性能，就需要提高其中场效应晶体管(FET)的载流子迁移率。实际上，从某种意义上来说，增强载流子迁移率的措施是一种必不可少的手段。因为信号在集成电路中传输的延迟时间τd与信号的逻辑电压摆幅Vm和载流子迁移率μ成反比,即:

τd∝CL/(μVm)

式中，CL是负载门扇出的输入电容与寄生电容之和。逻辑门开关工作所耗散的能量(为Pdτd)必须大于使电容CL的状态能够发生转换的能量(即等于CL所存储的能量),即有:

Pdτd=CLVm2/2

可见，信号传输的延迟时间与逻辑电压摆幅成反比，而开关能量却与逻辑电压摆幅的平方成正比。这表明，缩短信号传输的延迟时间和降低开关能量，在对逻辑电压摆幅的要求上是矛盾的。因此，为了保证集成电路能够稳定地工作，不致因发热而受到影响,应当适当地降低逻辑电压摆幅(以减小开关能量)；但与此同时，为了保证集成电路具有较高的工作速度，只有提高载流子的迁移率来缩短信号传输的延迟时间。所以，超高速场效应逻辑集成电路必须采用具有较高载流子迁移率的器件。

2.2实验研究

1998年，研制出实用的射频(RF)SiGe异质结双极型晶体管(SiGe2HBT)，并且在微电子技术的主流领域———CMOS集成电路中表现出越来越重要的作用。

SiGe-HBT的应用很大程度上是理论研究的结果，但是既然已经应用到实处，不得不说这属于实验的范畴。通过数据资料不难看出由于频率、速度、放大频率以及寄生电容等本身存在若干固有的内在矛盾，常规BJT难以实现超高频、超高速，20世纪50年代提出来的HBT(异质结双极型晶体管)是克服了常规BJT固有矛盾的一种双极型器件。

SiGe-HBT是发射区用Si，基区用SiGe制作的一种异质结双极型晶体管，即采用Si/SiGe异质结作为发射结的晶体管。这种异质结用作n-p-n型HBT的发射结，可大大提高晶体管的电流放大系数,并使电流放大系数基本上与发射结两边的掺杂浓度无关。自从1983年IBM首先研制出SiGe2HBT以来，现在采用Si工艺制作的SiGe-HBT的高频、高速性能已提高到接近III2V族化合物半导体HBT的水平(研究样品的fT达到360GHz，预计有可能超过400GHz；产品的fT和fmax超过了100GHz)。SiGe-HBT的低频噪声(1/f噪声)特性与Si2BJT的差不多，优于GaAs2MES2FET和Si2MOSFET；而且，高频热噪声也因为基极电阻很小而明显降低。在实验和应用领域，另一个重要的SiGe发展方向就是把应用于RF电路的SiGe-HBT和应用于数字电路的Si-CMOS结合起来,即把模拟和数字功能集成到一个芯片上,实现所谓SiGe-BiCMOS技术。不仅可以优化性能而且还比较容易集成，利用SiGe也能够制出性能优异的高速A/D转换器，当然很多还处于实验阶段，比如无线带宽和数字通信等领域内的应用。

3总结

通过以上分析，可以见到：（1）SiGe新材料克服了Si应用于超高频、超高速方面的困难。（2）SiGe提高了半导体的发射效率，同时也解决了化合物半导体难以大规模集成的缺点。（3）在实验研究领域，有大量的利用SiGe新材料的技术被开发出来，如SiGe-HBT，在工艺领域有很重要的应用。简而言之，,SiGe是继Si、GaAs之后一种重要的半导体材料。利用SiGe微电子技术,有可能使Moore定律的有效性得以延长。所以,SiGe半导体对于微电子技术的进一步发展具有极其重要的意义。

fqj