重掺杂突变InP/InGaAs HBT界面势垒扰动对电流传输的影响

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，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。

其中，ΔEc0，Δ Ev0分别是没有考虑BGN效应时的导带、价带突变量。

显然，从异质结界面电流表达式可以看出，导带、价带不同的突变量对电学特性的影响程度是不同的，所以要具体考虑重掺杂引起的能带突变量的改变在导带、价带的分配上。因而本文采用Lopez-Gonzalez基于Jain-Roulston’s能带模型得到的计算公式[3,4]，这种模型同时考虑了ΔE c，ΔEv随掺杂浓度变化的情况。

具体参数见表1。mdev ，mdh分别是电子、空穴态密度有效质量； mhh，mhl分别是重空穴、轻空穴有效质量，ε为相对介电常数；N bn，Nbp分别为电子、空穴简并因子； Λ为考虑能带非对称校正系数。对于InP/InGaAs材料系，表1所采用的具体参数值见表2。

利用Jain-Roulston’s能带模型计算，得到的突变InP/InGaAs HBT基区因重掺杂导致的禁带变窄及其在导带、价带上的分配比例与掺杂浓度的关系如所示，同测量值符合较好[5]，本文用其较为地计算了基极、集电极电流。

而在除去突变界面的基区区域内，BGN对电流输运的影响体现在本征载流子浓度的变化上：

其中ni0为没有考虑重掺杂时基区本征载流子浓度值。

3 模拟结果与讨论

为验证上面所给出的一维分析模型，模拟计算用的突变InP/InGaAs HBT是：发射极InP厚度150nm，掺杂5×1017cm -3；基极In0.53Ga0.47As厚度90nm，掺杂2×1019cm-3；集电极In 0.53Ga0.47As厚度400nm，掺杂2×10 16cm-3；器件结面积为50mm×50mm。计算所得的共射极直流输出特性曲线如所示。图中实线是考虑BGN效应对异质结突变界面势垒的扰动，虚线为没有考虑。可以看出两种不同情况下计算结果有一定的差距，考虑了重惨杂引起界面势垒扰动模型的计算更接近类似结构与掺杂分布的器件实验结果[6]。因此为了更准确描述电流传输的的特性，不仅要考虑基区重掺杂引起基区能带变窄、简并等因素引起载流子输运发生的变化外，还必须考虑其价带、导带突变界面势垒的变化所引起的输运特性的改变。

4 结束语

从热场发射-扩散模型出发，即在异质结突变界面处考虑热电子发射和隧道效应，在其他区域内考虑漂移扩散，对突变InP/InGaAs HBT基区重掺杂后能带势垒的改变引起的电流输运变化情况进行了分析，并得到与实验报道数据比较一致的结果，本文对相应器件的优化设计具有一定参考价值。