重掺杂突变InP/InGaAs HBT界面势垒扰动对电流传输的影响

发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:480

周守利，崇英哲，黄永清，任晓敏

（北京邮电大学，北京 100876）

摘要：基区重掺杂使hbt突变结界面势垒形状及高度发生了扰动，这种扰动对电流输运特性有重要的影响。本文基于热场发射-扩散模型，分析了基区重掺杂突变inp/ingaas hbt中的电流传输特性，并同实验测试数据进行了比较。结果表明：为了精确地描述电流传输特性，基区重掺杂情况下，必须考虑突变结界面势垒形状及高度扰动所引起的电流变化。

关键词： hbt；热场发射扩散；重掺杂效应

中图分类号：tn305.3 文献标识码：a 文章编号：1003-353x(2005)03-0020-04

1 引言

由于inp/ingaas材料系的固有特性，采用这种材料系的hbt，在许多性能方面皆优于algaas/gaas hbt。

（1）这种材料系在发射极-基极异质结界面处有更大的价带不连续性，因而有更高的发射极注入
效率；

（2）ingaas和inp的导带能谷间隔较大（分别为0.55 ev和0.54ev,而gaas仅为0.28ev），可以有更大的过冲速度、更短的渡越时间，因此有更优越的高速性能；

（3）ingaas的表面复合速度比gaas的要低一个数量级，因此在缩小器件尺寸时，对电流增益影响不明显；

（4）ingaas基极中电子有效质量较小，可以得到较高的迁移率和较低的基极电阻；

（5）与光通信用的激光器、探测器等器件具有相同的材料系而在材料外延及器件工艺上更容易实现光电集成等。

鉴于上述原因，inp/ingaas hbt的研究与应用越来越受到人们的关注，近年来在器件设计方面也取得了很大进展。

在现代的hbt器件设计中，为了改善器件的高频性能，通常基区掺杂浓度很高，此时需考虑载流子简并和重掺杂能带变窄（band gap narrowing, bgn）效应对器件电学特性的影响。本文采用数值模拟的方法，基于热场发射-扩散模型（thermionic-field-diffusion），分析了基区重掺杂突变inp/ingaas hbt中的电流传输特性。

2 物理模型

2.1 基本方程

由于突变异质结界面附近导带边不连续所形成的势垒尖峰阻碍了异质结两边载流子的交换，载流子注入机制发生了变化，因此在非平衡情况下，pn结两边的电子准费米能级是不连续的，在界面处有一阶跃。此时，势垒处热载流子发射过程和穿透势垒尖峰的隧道效应对突变异质结界面的载流子注入起决定作用。因此，本文对于载流子的输运，在突变界面处采用热场发射模型，而对除去界面外的体区域内采用漂移-扩散模型。

在体区域内由漂移-扩散模型确定的电子、空穴电流为

其中φn，φ p为电子与空穴的准费密势，计算中采用fermi-dirac统计以考虑载流子的简并效应。

在突变异质结界面处（x=xj），载流子输运采用热场发射模型。此模型考虑了热电子发射和隧道效应，空穴隧道效应可忽略，只考虑热发射。则由wkb近似方法可得到作为边界条件的突变面电流方程为

其中 vn和vp分别是电子和空穴平均热运动速度。上式中的下标e，b分别指发射极及基极，g系数反应载流子的简并效应。 d为隧穿因子，体现npn晶体管电子隧道效应对电子电流的贡献 [1,2]。

复合考虑三种机制：shockley-read-hall（srh）复合，auger复合和表面复合。

2.2 重掺杂效应

对于npn型hbt，在许多文献中，对重掺杂效应引起器件性能改变的分析只是反映在引起体内本征载流子浓度参数的变化上。对于突变hbt，这种描述是不充分的，因为重掺杂引起了能带变窄(eg-δ)和电子亲和力变化(qx+qδx)，导致了异质结界面势垒的形状和高度均发生了扰动，进而引起热场发射机制的改变，使热电子发射、隧道效应发生的大小受到影响，最终引起电流输运特性的很大变化，即对器件的电学特性产生很大的影响。