SiGe半导体在微电子技术发展中的重要作用

SiGe半导体在微电子技术发展中的重要作用

杨东海

无锡中微掩模电子有限公司 江苏无锡 214000

摘要：在半导体工业的发展中，Si始终作为其发展的主要关键性材料，但是由于其载流子迁移率以及饱和漂移速度比较低，并且其具有间接跃迁能带结构，对于其实际的应用领域有着很大的限制。在这种情况下，SiGe技术应运而生，不但能够对Si的上述问题有效补充，还在一定意义上有着很好的经济效益，受到人们的广泛关注。本文主要就对SiGe半导体在微电子技术中的应用作用进行研究和分析。

关键词：SiGe半导体；微电子技术；重要作用

1SiGe半导体类型

1.1双极性晶体管

双极性晶体管主要指的就是在源漏电极沟道当中，除了可以采用电子传输，也能够实施空穴传输的晶体管，一般来讲，对于这种晶体管自身的功耗非常大，并且工作效率也是非常高，噪音也比较小，在当前高频模拟电路当中有着很重要的作用。然而，相对于双极性晶体管来讲，因为半导体材料对其的限制，在实际中，将其应用到高频模拟电路中时会产生相应的问题，很难确保信号在传中的超高速和超高频，这主要是由于双极性晶体管在对基区掺杂浓度以及基区宽度提升方面有一定的技术限制，造成基极电阻做不到极低的程度，这也使得BJT达不到高频模拟电路关于低噪声的要求。

为了能够将双极性晶体管BJT在高频模拟电路中的应用性提升，相关研究人员提出异质结双极性晶体管来克服原有晶体管的问题。异质结双极性晶体管HBT采用的半导体材料其禁带宽度通常较大，要在基区禁带宽度之上，因此在使用时可以采用异质结发射的方式工作。与BJT相比，异质结的采用使得HBT能够保持较高的发射结注射速率，并且在此前提下使得基区掺杂浓度提高，发射区掺杂浓度降低，如此便可实现对器件基区宽度的调整效应的减弱，在器件工作时，基极电阻减小并且发射结势垒电容降低、基区渡越时间也能够更好的控制，有效实现了超高频、超高速以及低噪声的高频模拟电路工作要求。

1.2基于SiGe半导体的异质结双极性晶体管

SiGe半导体主要用于HBT中基区材料使用，而发射区用的半导体材料选择Si，因此基于SiGe半导体的HBT内部存在着Si/SiGe异质结。这是因为Si本身具备与Ge相似的电子亲和能，因此Si/SiGe异质结的导带第能量突变值就很小甚至可以忽略不计，在Si/SiGe异质结中可以通过禁带宽度之间的差异构筑额外空穴势垒，这一空穴势垒的存在使得空穴无法从SiGe传输到Si中，与此相反能够使得Si/SiGe异质结注入电子的效率大大提升。因此，Si/SiGe异质结可以有效应用到n-p-n型异质结双极性晶体管的发射区，使得晶体管的电流放大系数大大提升，同时这一电流放大系数基本不受发射结两边掺杂浓度的影响。

与砷化镓等化合物半导体相比，SiGe半导体应用到异质结双极性晶体管中有很多优势。首先，SiGe半导体是基于硅半导体衍生而来的，因此无论是加工手段还是制作成本控制都十分成熟，制作集成电路时也更加便捷;其次，由于SiGe半导体在应用时产生了异质结，因此在采取各种措施时不必过多的考虑电流放大系数因素的影响，在工作过程中更为有效的提升电流输出频率和速率，保证在应用到高频模拟电路时的高频、高速、低噪声;而且，这类晶体管基区的Ge分布是不均匀的，这有利于漂移电场的产生，使得载流子渡越基区构筑更加快速，这就使得基于SiGe半导体的HBT截止频率和最高震荡频率都较高，在应用到射频技术时也能够发挥重要价值;最后，与砷化镓相比，基于SiGe半导体的HBT击穿电压更低，在应用到高频小功率器件中也能够发挥作用。

2SiGe 半导体在微电子技术中的应用作用

2.1提高载流子迁移率

为了能够将集成电路的频率以及速度性能提升，就需要对载流子的迁移率有效提升。在某种视角可以看出，迁移率的提升是非常重要，这主要是由于在集成电路中信号的逻辑电压摆幅与延迟时间之间呈现反比关系，公式表达为：

式中，C代表的是负载门中输入电容；Vm 代表的是逻辑电压摆幅； 代表的是延迟时间。

从上式中可知，信号延迟时间与电压摆幅之间呈现反比例关系，但开关能量与电压摆幅具有正比例关系。由此可以看出，信号传输的延迟时间在缩短之后，电压的摆幅不会受到很大的影响。因此，为了能够保证电路可以稳定安全的运行，不会产生发热等异常状况，可以将电压的摆幅适当的降低。并且，为了能够对电路工作实际效率提升，可以对迁移率适当的提升，使得信号的传输延时可以相应的缩短。这样就可以对SiGe半导体有效的引入到其中，使得载流子迁移率与电压摆幅能够处于平衡状态。

2.2应变工程技术应用

SiGe 应变技术除了可以对载流子迁移率有效提升之外，在实际的应用方式方面也非常的便捷，可以采用应变使空穴迁移率获得良好的提升，这相对于CMOS 技术来说具有较大应用价值。与常规的Si-MOSFET 相比，应变Si-MOSFET 的性能更强，即便在深亚微米领域，数值模拟显示其性能较为优良，且在沟道中具有异质结构源端观察具有速度过冲等情况。对此，SiGe 器件可对小尺寸Si-CMOS 具有较强的替代作用。在大规模集成电路方面，SiGe 半导体属于一种新型材料，可在应用应变后使载流子迁移率得以提升，导致有效质量减小，迁移率增加，从本质上看属于能带结构工程。对于P 型Si-MOSFET 沟道载流子来说，应不断增强空穴迁移率，使价带结构对其产生的影响得到缓解。当晶体在双轴应力影响下发生反应时，单轴应力分量可使警惕对称性受到严重损坏，使可带简得以清楚，而流体静应力则会将起价带中的轻空穴带进行耦合，使结构发生改变，空穴有效质量降低，在二者的共同作用下，使空穴迁移效率得到显著提升。分析表明，在P 型Si-MOSFET 中，迁移率可提高50%，在90K 低温状态下可提高100%，载流子迁移率具有各向异性等特点。

2.3应变引入方法

SiGe 半导体中应变引入方式多种多样，利用Si 与Ge 晶格常数可将应变直接引入其中，并借助其他材料与晶格相结合，采用覆盖薄膜等方式完成应变引入。例如，在n-MOS 晶体管，覆盖能够使介质层得以拉伸，起到提高载流子迁移率的效果。此外，将金属规划无、沟槽隔离、漏电极材料选择等诸多方式，均可产生应变。在MOSFET 沟道中，将工艺技术引入应变主要可分为两个类别，即：一是衬底致双轴应变，另一个是工艺致单轴应变，二者均可使空穴迁移率得到显著提升，又可避免在大应变影响下产生应变弛豫等现象产生。

结语

综上所述，SiGe 半导体是Si 基础上演变而成的新型材料，通过利用SiGe 微电子技术，使摩尔定律有效性得到显著提升，可见SiGe 半导体对微电子领域发展起到不可忽视的促进作用，在未来的发展中应加强研究，使其在更多的领域得到广泛应用。

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