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与HBT工艺兼容的四类新型三端负阻器件的研制与研究

作　者: 齐海涛
导　师: 张之圣；郭维廉
学　校: 天津大学
专　业: 微电子与固体电子学
关键词: 负阻器件器件模拟超薄基区负阻HBT 双基区负阻HBT 电阻栅负阻HBT 化合物异质结构S型双向负阻晶体管
分类号: TN322.8
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

本论文包括了InGaP/GaAs基和AlGaAs/GaAs基超薄基区负阻HBT、双基区负阻HBT、电阻栅型负阻HBT以及基于化合物异质结构的S型双向负阻晶体管等四类新型器件的研究内容。分别先后进行了器件的材料设计与制备、器件的结构和版图设计、芯片工艺流水、器件性能测试与分析、器件模拟和负阻物理机制分析等系统性的工作。由于以上四类器件在国内乃至国际上罕有报导,所以在器件设计、性能测试结果和机制分析等诸多方面都有一定新意,许多实验现象为首次报道。本论文研究工作的创新性研究成果在于:1、成功采用选择性湿法化学腐蚀研制出8nm厚度基区的InGaP/GaAs体系超薄基区负阻HBT;首次在同一器件上观察到电压控制型负阻和电流控制型负阻两种负阻形式,电压控制型负阻的最大集电极电流峰谷比(PVCR)不低于4400;首次发现随VC变化的可变电压控制型负阻特性;2、成功采用选择性湿法化学腐蚀研制出8nm厚度基区的AlGaAs/GaAs体系超薄基区负阻HBT,并观察到明显电压控制型负阻特性,最大集电极电流峰谷比(PVCR)不低于1100;3、通过对器件测试结果和器件模拟结果的分析,提出了超薄基区负阻HBT的负阻产生机制――双极管-体势垒管转换机制,对超薄基区负阻HBT的电流控制型负阻、负阻特性分散现象和负阻峰值随VC增大现象进行了分析;4、将Si基平面双基区晶体管概念与HBT结构和工艺相结合,设计并研制了双基区负阻HBT。因工艺原因,电压控制型负阻有多种表现形式,并发现了可变电压控制型负阻特性和光控负阻特性,结合器件模拟和实验结果对上述现象进行了分析;5、试制了电阻栅负阻HBT,证实了电压控制型负阻特性的存在,其最大电流峰谷比不小于215。结合器件模拟分析了负阻产生原因,并建立了相关物理模型;6、将Si基平面S型双向负阻晶体管的工作机理引入到HBT材料结构,尝试性研制了化合物异质结构S型双向负阻晶体管,实验结果证实了设想的可行性。

全文目录

第一章绪论  8-31
  1.1 课题研究背景  8-10
  1.2 负阻器件的分类与历史  10-13
  1.3 HBT概念和设计基础  13-22
    1.3.1 HBT的理论基础  13-17
    1.3.2 HBT的设计规则  17-18
    1.3.3 HBT的材料系统  18-21
    1.3.4 HBT的典型结构  21-22
  1.4 分子束外延生长技术  22-25
  1.5 器件模拟与ATLAS软件  25-29
  1.6 本论文的研究工作概述  29-31
第二章超薄基区负阻HBT的研制与模拟分析  31-54
  2.1 研究背景  31-34
  2.2 超薄基区HBT材料结构设计  34-35
  2.3 超薄基区HBT的器件结构和版图设计  35-36
  2.4 超薄基区HBT工艺流程设计  36-41
    2.4.1 InGaP/GaAs超薄基区HBT工艺流程设计  36-38
    2.4.2 AlGaAs/GaAs超薄基区负阻HBT工艺流程  38
    2.4.3 对关键工艺的说明  38-41
      2.4.3.1 湿法选择性腐蚀工艺  38-40
      2.4.3.2 腐蚀监测工艺  40-41
      2.4.3.3 合金条件的把握  41
  2.5 超薄基区HBT的性能测试  41-47
    2.5.1 InGaP/GaAs 超薄基区HBT的I-V特性  42-46
      2.5.1.1 电压控制型负阻特性  42-44
      2.5.1.2 随VC变化的电压控制型负阻特性  44-45
      2.5.1.3 电流控制型负阻特性  45-46
    2.5.2 AlGaAs/GaAs超薄基区HBT的I-V特性  46-47
  2.6 超薄基区负阻HBT的器件模拟与负阻机制分析  47-50
  2.7 对负阻特性产生机制的分析与解释  50-54
    2.7.1 超薄基区产生负阻的物理机制  50-51
    2.7.2 对恒定V_B和恒定I_B两种模式负阻的解释  51-52
    2.7.3 对低H_(FE)器件负阻特性沿V_C分散现象的解释  52
    2.7.4 I_P随V_C增加而增大现象产生的原因  52-54
第三章双基区负阻HBT的设计与研制  54-73
  3.1 SI基平面双基区晶体管的研究进展  54-56
  3.2 基区负阻HBT的材料结构、器件结构和版图设计  56-59
    3.2.1 材料结构设计  56-57
    3.2.2 器件结构设计  57-58
    3.2.3 版图设计  58-59
  3.3 双基区负阻HBT的工艺流水  59-61
  3.4 双基区负阻HBT的性能测试与分析  61-68
    3.4.1 常规HBT的I-V特性  61-62
    3.4.2 双基区负阻HBT的电压控制型负阻特性  62-65
    3.4.3 双基区负阻HBT的可变电压控制型负阻特性  65-67
    3.4.4 双基区负阻HBT的光电负阻特性  67-68
  3.5 双基区负HBT的器件模拟  68-70
  3.6 关于双基区负阻HBT特性的分析与讨论  70-73
    3.6.1 电压控制型负阻的表现形式多样化分析  70-71
    3.6.2 负阻与V_C的关系分析  71
    3.6.3 光控负阻特性产生原因分析  71-73
第四章电阻栅负阻HBT的研制与理论分析  73-85
  4.1 电阻栅负阻HBT的研究背景  73-74
  4.2 电阻栅负阻HBT的器件结构和版图设计  74-76
  4.3 器件工艺流水  76-77
  4.4 器件性能测试与分析  77-79
  4.5 器件模拟和负阻机制分析  79-81
  4.6 器件物理模型的建立  81-85
第五章化合物S型双向负阻晶体管的研制  85-94
  5.1 双向负阻晶体管的工作机理分析  85-88
  5.2 化合物S型双向负阻晶体管的设计  88-90
  5.3 化合物S型双向负阻晶体管的工艺流水  90-91
  5.4 化合物S型双向负阻晶体管的性能测试与分析  91-94
第六章研究成果总结  94-96
参考文献  96-105
攻读博士学位期间发表论文情况  105-106
参加科研情况说明  106-107
附录  107-114
致谢  114

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