автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Моделирование электронных процессов в сверхскоростных бтополях гетероструктурных транзисторах

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "СТАНКИН"

РГ6 ОД

■ ) О !....... ' ■ V

- " " ; ■ ■ ■ • На правах рукописи

КУЛЬКОВА ЕЛЕНА ЮРЬЕВНА

УДК 621.382

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРОЦЕССОВ В СВЕРХСКОРОСТНЫХ БИПОЛЯРНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ

ТРАНЗИСТОРАХ

05.27.01 - твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Московском Государственном Технологическом Университете "СТАНКИН".

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

ГЕРГЕЛЬ В.А.

Официальные оппонеиты: доктор технических наук ГАРБЕР Г.З.

кандидат физико-математических наук БОЛТАРЬ К.О.

Ведущая организация: Государственный Технический

Университет МИЭТ

Защита состоится 1997 г. в /Рчасов на заседании дис-

сертационного совета Д.003.74.01 Физико-Технологического Института РАН (117218, Москва, ул. Красикова 25-А).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Физико-Технологического Института РАН.

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н.

Вьюрков В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Решение задач твердотельной электроники по повышению быстродействия отдельных полупроводниковых приборов, снижению уровня собственных шумов, уменьшению их удельного энергопотребления и расширению на основе этого функциональных возможностей интегральных схем различного применения, потребовало перехода к широкому использованию полупроводниковых материалов группы А3В5, а также к существенному усложнению структуры приборов, в частности, за счет применения гетеропереходов. Одним из наиболее перспективных приборов, с точки-зрения использования в качестве одного из основных элементов монолитных интегральных схем СВЧ диапазона и оптоэлектронных устройств, являются биполярные гетероструктурные транзисторы (БГТ). Интерес к этим приборам резко возрос в последнее десятилетие по целому ряд}' причин. Во-первых, внедрение в практику микроэлектронного производства таких технологий, как молекулярно-лучевая эпитаксия и эяитаксия из паровой фазы металло-органических соединений, позволило создавать весьма совершенные структуры БГТ, отличающиеся рекордными быстродействием и коэффициентом усиления по току. Во-вторых, структура БГТ позволяет легко интегрировать его в оптоэлектронные устройства, используя в качестве управляющего элемента для светоизлучающих приборов (полупроводниковые лазеры и светоизлучающие диоды), либо усилительного элемента для приемников излучения.

В настоящее время основные усилия разработчиков БГТ направлены на дальнейшее расширение частотного диапазона транзисто-

ров за счет совершенствования их структуры, применения вместо СаАэ и АЮаА.ч других полупроводниковых материалов, а также за счет использования каких-либо нетрадиционных эффектов в БГТ. Однако, существенная неравновесность электронно-дырочной плазмы, вызванная соизмеримостью времени пролета носителей заряда через активную область прибора с временами релаксации энергии и импульса, а также наличие сложных двумерных эффектов затрудняет создание аналитических моделей, позволяющих рассчитывать характеристики транзисторов и проводить целенаправленную оптимизацию их структур. В этих условиях, большое значение приобретает математическое моделирование физических процессов, определяющих функционирование БГТ, как один из наиболее надежных инструментов исследования и расчета характеристик прибора.

Целью диссертационной работы является теоретическое исследование возможных путей повышения быстродействия биполярных гетеротранзисторов, исследование влияния рассеяния носителей заряда в базе БГТ на его усилительные характеристики, изучение возможности расширения диапазона рабочих частот за границу так называемой частоты единичного усиления.

Научная новизна и практическая значимость.

В последнее время пристальное внимание исследователей привлекает изучение возможностей построения БГТ на новых материалах группы А3В5, среди которых наиболее перспективным считается гетеропереход 1пР/ГпСаАв, вследствие высокой скорости переноса электронов в ЬхСаАз, высокой технологичности гетероперехода ¡пРДпСаАэ и целого ряда его дополнительных уникальных свойств. Развитая в диссертации математическая модель построена с учетом

особенностей энергетического спектра носителей в этих новых материалах. Построенная модель позволяет надежно оценить быстродействие InP/InGaAs БГТ и перспективы его повышения за счет вертикального масштабирования коллекторного перехода, применения неоднородно легированных коллекторных структур и использования непланарного скрытого слоя коллектора, которые были либо вообще не исследованы, либо исследованы явно недостаточно.

Возможность использования БГТ как усилителя в области частот, в которой он имеет отрицательное выходное сопротивление, отмечалась и ранее. При этом ожидалось резкое увеличение коэффициента усиления по мощности вблизи максимальной частоты генерации и, более того, расширение диапазона частот, на которых транзистор является усилителем, за пределы обычных максимальных частот усиления. Одпако, требующийся для этого чисто баллистический перенос электронов в базе является практически трудно реализумым. Поэтому необходимо было рассмотреть вопрос влияния рассеяния электронов в базе па усилительные возможности БГТ за пределами обычного частотного диапазона.

Полученные в работе результаты вскрывают зависимость высокочастотных характеристик БГТ от особенностей материала, топологии и профилей легирования, и могут быть использованы при проектировании и изготовлении структур сверхвысокочастотных БГТ, а также электронных устройств на их основе.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на четырех международных конференциях: 7th International Conference on Indium Phosphide and Related Materials (Japan, 1995), 27th International Conference on Solid State Devices and

Materials (Japan, 1995), 6th International Conference on Simulation of Semiconductor Devices and Processes (Germany, 1995), 4th International Conference on VLSI and CAD (Korea, 1995).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, перечисленных в конце автореферата.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста и содержит 41 рисунок на 41 странице. Список литературы включает 97 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИ РАБОТЫ

Во введении рассматривается уровень развития БГТ на сегодняшний день, формулируются основные цели диссертации, а также описывается структура диссертационной работы и дается краткая характеристика полученных в работе результатов.

Первая глава состоит из трех параграфов и посвящена описанию физико-математической модели БГТ, численных алгоритмов и методов, используемых в работе. В первом параграфе проводится анализ существующих моделей описания полупроводниковых приборов, и на основе этого анализа, а также особенностей процессов переноса носителей заряда в структуре БГТ, делается выбор физико-математической модели рассматриваемых транзисторов. Для описания физических процессов в БГТ выбрана комбинированная модель, состоящая из кинетических уравнений для одно-частичных функций распределения горячих носителей заряда, и дрейфово-диффузионных уравнений переноса для квазиравновес-

ных носителей заряда. В параграфе формулируются также граничные и начальные условия для уравнений, входящих в физико-математическую модель БГТ.

Второй параграф первой главы описывает методику решения уравнений физико-математической модели БГТ. Кинетические уравнения для одночастичных функций распределения решаются с помощью многочастичного метода макрочастиц с розыгрышем процессов рассеяния процедурами Монте Карло. Уравнения переноса дрейфово-диффузионной модели и уравнение Пуассона для потенциала самосогласованного электрического поля решаются с помощью методов конечных разностей. Приводятся основные сеточные уравнения, аппроксимирующие исходные уравнения физико-математической модели БГТ. Существенное внимание в параграфе уделяется рассмотрению вопросов, связанных с повышением вычислительной эффективности используемых алгоритмов.

В третьем параграфе рассматривается методика определения высокочастотных характеристик БГТ в рамках выбранной физико-математической модели. На основе анализа существующих методик расчета высокочастотных характеристик БГТ выбрана методика расчета, в которой методами математического моделирования рассчитываются лишь наиболее критичные, т.е. наиболее сильно зависящие от условий функционирования и особенностей структуры, элементы эквивалентной схемы транзистора (частотнозависимые коэффициенты переноса электронов в базе и коллекторе, а также емкость коллекторного перехода). Полученные в результате моделирования элементы используются в дальнейшем при анализе малосигнальной эквивалентной схемы транзистора. Эта методика объединяет в се-

бе высокую эффективность методов, основанных на анализе эквивалентных схем, и высокую точность и надежность методов математического моделирования.

Вторая глава состоит из пяти параграфов и посвящена исследованию путей повышения быстродействия БГТ, основанных на гете-роструктурах 1пР/1пСаАй. В первом параграфе главы рассматриваются возможные методы повышения быстродействия БГТ. К этим методам следут отнести вертикальное масштабирование коллекторного перехода, использование эффекта всплеска дрейфовой скорости в БГТ с неоднородно легированным коллектором и уменьшение величины коллекторной емкости. Проводится анализ литературы, связанной с вышеперечисленными вопросами.

Второй параграф связан с рассмотрением возможности увеличения быстродействия БГТ за счет уменьшения толщины коллекторного п-слоя. Для исследования этой проблемы,проводится математическое моделирование процессов переноса в структурах БГТ с различными толщинами коллекторного слоя. Полученные в результате математического моделировании! данные свидетельствуют, что сокращение пролетного времени задержки в коллекторе при уменьшении толщины коллекторного слоя, обусловлено лишь сокращением пролетного пространства, а не увеличением средней скорости переноса электронов через коллектор, как это предполагалось ранее. При этом, увеличение емкости коллекторного перехода в БГТ со сверхтонким коллекторным слоем препятсвует увеличению общего быстродействия прибора. Более того, при определенных условиях вертикальное масштабирование коллекторного перехода ведет к ухудшению высокочастотных характеристик БГТ.

В третьем параграфе исследуется возможность увеличения быстродействия БГТ за счет применения непланарного скрытого слоя коллектора. Отличительной особенностью этих транзисторов является малая величина емкости коллекторного перехода. На основе численного расчета показано, что БГТ с непланарным скрытым слоем коллектора имеют специфическую зависимость емкости коллекторного перехода от приложенного напряжения коллектор-база, а минимальная величина этой емкости существенно превышает значение, ожидаемое из простой аналитической модели. Анализ распределения подвижных зарядов в коллекторном переходе показывает, что при неполном обеднении коллекторного слоя емкость коллекторного перехода определяется толщиной обедненной области и соответствует емкости в БГТ со стандартным скрытым слоем коллектора. Неожиданно большая величина минимальной емкости связана, главным образом, с существенным вкладом в общую емкость геометрической емкости боковых стенок непланарного скрытого слоя коллектора. Найдена аналитическая формула, выражающая зависимость минимальной емкости коллекторного перехода от геометрии БГТ и учитывающая двумерные эффекты. Сравнение с результатами численного расчета показывает высокую точность полученного аналитического выражения. В завершении параграфа оценивается выигрыш в быстродействии БГТ, получаемый за счет применения непланарного скрытого слоя коллектора. Оценки показывают, что уменьшение временн зарядки коллекторной емкости возможно лишь при определенных условиях, накладываемых на геометрию транзистора, при этом не следует ожидать существенного увеличения частоты единичного усиления по току. Более оптимистичный прогноз

для увеличения максимальной частоты генерации. Применение не-планарного скрытого слоя коллектора ведет к существенному увеличению этой частоты.

В четвертом параграфе исследуются перспективы увеличения быстродействия 1пР/1пСаАй БГТ за счет использования неоднородно легированных коллекторных структур. На основе результатов математического моделирования БГТ с однородно легированным и неоднородно легированным коллекторами показывается, что применение неоднородного профиля легирования коллектора ведет к существенному уменьшепшо пролетного времени задержки в коллекторе (около 30%). При этом, 1пР/1пСаАь- БГТ с предложенным неоднородно легированным коллектором менее чувствительны к режиму работы по постоянному току, чем стандартные БГТ. Наряду с увеличением быстродействия, применение неоднородно легированного коллектора позволяет также: минимизировать время задержки в коллекторе для заданного режима по постоянному току и существенно расширить возможность применения неиланарного скрытого слоя коллектора при малых приложенных напряжениях.

Завершается глава параграфом с краткими выводами.

Третья глава посвящена исследованию влияния процессов рассеяния электронов в базе на высокочастотные характеристики БГТ, функционирующего в когерентном режиме. Глава состоит из четырех параграфов.

В первом параграфе рассматриваются вопросы реализации усиления на частотах, превышающих обычные предельные частоты усиления транзистора за счет использования отрицательного выходного сопротивления. Идея использования отрицательного выходного со-

противления для расширения частотного диапазона транзистора, в котором наблюдается усиление, высказывалась и ранее. Однако, более менее реалистичные условия, в которых может наблюдаться указанный эффект, были найдены лишь недавно. К сожалению, найденные условия предполагают наличие баллистического переноса электронов в базе, что на практике является труднореализуемым.

Во втором параграфе разрабатывается аналитическая модель процессов переноса горячих электронов в базе БГТ, основанная на решении кинетических уравнений для одноэлектронных функций распределения и учитывающая упругие и квазиупругие механизмы рассеяния электронов. На основе предложенной аналитической модели получено выражение для коэффициента переноса в базе БГТ, которое учитывает рассеяние электронов в базе. Анализ полученного выражения позволил определить основные условия, необходимые для реализации усиления по току и по мощности на частотах, превышающих обычные предельные частоты усиления БГТ. Эти условия связывают между собой пролетные времена электронов в базе и коллекторе, характерное время рассеяния электронов в базе и величины паразитных сопротивлений и емкостей структуры транзистора. Проводится оценка возможности практической реализации найденных условий. Показано, что хотя реализация усиления по току за пределами частоты единичного усиления и является малореальной, но усиление по мощности на частотах, существенно превышающих максимальную частоту генерации, представляется весьма реальной, даже при достигнутых на сегодняшний день величинах паразитных элементов структуры БГТ.

В третьем параграфе процессы переноса электронов в базе БГТ,

функционирующего в когерентном режиме, исследуются методами математического моделирования. Полученные результаты продемонстрировали высокую достоверность разработанной в предыдущем параграфе аналитической модели. Анализируется влияние теплового разброса скоростей инжектируемых в базу электронов на коэффициент переноса в базе когерентного БГТ. На основе результатов моделирования и результатов аналитической модели определена область параметров базового слоя БГТ, в которой рассеяние электронов является доминирующим фактором, препятствующим расширению частотного диапазона транзистора.

Завершается глава параграфом, в котором формулируются основные результаты,, полученные в главе.

В Заключении формулируются основные результаты, полученные в диссертационной работе, и положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Построена модель для рассчета оптимальной ширины коллекторного слоя БГТ. Показано, что вертикальное масштабирование коллекторного перехода 1пР/1пСаАй БГТ не ведет к существенному увеличению быстродействия транзистора, ввиду резкого увеличения времени зарядки коллекторной емкости в БГТ со сверхтонкими коллекторными слоями. При этом, увеличение средней скорости переноса элетронов через коллектор в БГТ со сверхтонкими коллекторными слоями не наблюдается.

2. Построена модель для рассчета и оптимизации непланарного скрытого слоя коллектора. Показано, что существенный выигрыш в емкости коллекторного перехода при использовании непланарного скрытого слоя коллектора наблюдается лишь в

условиях полного обеднения коллекторного слоя. Показано также сильное влияние существенно непланарной геометрии коллектора на минимальную величину коллекторной емкости в БГТ с неплан арным скрытым слоем коллектора. Определены условия, накладываемые на геометрию БГТ, выполнение которых обеспечивает выигрыш в предельных частотах усиления по току и мощности при использовании непланарного скрытого слоя коллектора.

3. Показано, что использование неоднородного легирования коллекторного перехода (гГ-р+-п~-п+) обеспечивает сокращение времени пролетной задержки в коллекторе 1пР/1пСаАз БГТ примерно на 30%. При этом, неоднородно легированная структура коллектора может быть легко оптимизирована для минимизации времени задержки в коллекторе при заданном режиме транзистора по постояппому току. Показано также, что применепие неоднородного легирования коллекторного перехода весьма благоприятно в ГпРДпСаАв БГТ с непланарным скрытым слоем коллектора.

4. Разработана аналитическая модель БГТ, функционирующего в когерентном режиме, учитывающая упругие и квазиупругие механизмы рассеяния электронов в базе. Результаты аналитической модели находятся в хорошем соответствии с результатами численного моделирования процессов переноса в базе БГТ. Получено аналитическое выражение для частотной зависимости коэффициента переноса в базе когерентного БГТ, учитывающее процессы рассеяния.

5. Найдены условия, необходимые для реализации усиления по току и мощности в частотном диапазоне за пределами обычных частот усиления БГТ и связывающие пролетные времена, характерное время рассеяния в базе и величины паразитных элементов транзисторной структуры. Показана возможность реализации усиления по мощности на частотах, превышающих максимальную частоту генерации БГТ, даже при наличие рассеяния электронов в базе.

Основное результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Khrenov G., Ryzhii V., Kulkova Е. "Influence of electron scattering on current gain of heterojunction bipolar transistor operating in coherent regime", Japanese Journal of Applied Physics, Pt.l, 1994, vol. 33, no. 8., pp. 4560-4565.

2. Khrenov G., Kulkova E. "High-speed InP/InGaAs HBT with reduced intrinsic transit time", Proc. 7th International Conference on Indium Phosphide and Related Materials (IPRM'95), 1995, pp. 444-447.

3. Khrenov G., Kulkova E. "Numerical study of collector-base junction design for ultra-high-speed InP/InGaAs heterojunction bipolar transistors", Proc. 27th International Conference on Solid State Devices and Materials, 1995, pp. 398-400.

4. Khrenov G., Kulkova E. "Monte Carlo simulation of InP/InGaAs HBT with a buried subcollector", Simulation of Semiconductors Devices and Processes, vol. 6, 1995, Springer-Verlag, Wien, pp. 246-249.

5. Khrenov G., Kulkova E. "Vertical scaling of InP/InGaAs heterojunction bipolar transistors", Proc. 4th International Conference on VLSI and CAD, 1995, pp. 353-356.

6. Khrenov G., Kulkova E. "Monte Carlo analysis of ultra-high-speed InP/InGaAs HBTs", Microwave and Optical Technology Letters, 1996, vol. 11, no. 3, pp. 154-159.

7. Khrenov G., Kulkova E. "Numerical study of collector-base junction design for ultra-high-speed InP/InGaAs heterojunction bipolar transistors", Japanese Journal of Applied Physics, 1996, vol. 35, Pt.I, no. 2.

8. Khrenov G., Kulkova E. "Numerical and analytical modeling of electron transport in heterojunction bipolar transistors operating in coherent regime", Semiconductor Science and Technology, 1996, vol. 11, no. 4, pp. 392-397.