專利名稱：集電極耦合功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種集電極耦合功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元，尤指一種主要用于無線通訊領域中，要求能夠提高鍺硅對功放應用的截止頻率和擊穿電壓的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元。
背景技術：
在無線通訊領域，由于鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)容易與收發(fā)器集成，而逐漸成長為功率放大器(PA)設計的重要支撐技術。然而，功放的設計通常要求器件既要有高的速度也要有高的擊穿電壓。傳統(tǒng)的功放材料砷化鎵(GaAs)比鍺硅來說有更高的截止頻率和擊穿電壓。由于鍺硅的高頻率是靠犧牲擊穿電壓來實現(xiàn)的。這樣我們就要面對一個挑戰(zhàn)，怎樣提高鍺硅對功放應用的截止頻率和擊穿電壓。
公知的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的性能vs晶體管發(fā)射極長度目前，在捷智的0.18微米鍺硅雙極互補金屬-氧化物-半導體CMOS工藝下，我們已經(jīng)測量出異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，盡管它們有同樣的擊穿電壓，但窄發(fā)射極的晶體管比寬發(fā)射極的晶體管有更高的截止頻率(fT)。窄的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管有著相對更加嚴重的集電極電流橫向擴展，實際上增加了集電極的面積，延遲了Kirk效應的發(fā)生，最后得到了較高的截止頻率fT。然而，寬的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管通常有著更好的線性并且在實際設計中能得到較高的功率輸出。
如圖1所示，該圖展示了異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的發(fā)射極截面圖。SE是發(fā)射極的長度，IEI是本征電流，IEP是圓周電流。對寬的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管來說，我們可以設想最極端的情況，就是只有本征電流IEI而沒有圓周電流IEP。由于發(fā)射極面積與集電極的面積是相等的，當輸入電流例如基極電流IB增大了一倍，輸出的集電極電流IC將會跟隨著增大一倍。由于集電極面積相對于輸入電流保持了常數(shù)，異質(zhì)結(jié)雙極晶體管展示了良好的線性。然而，對于窄的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，主要的輸出電流將會來源于圓周電流IEP，而且集電極的面積將會隨輸入電流的變化而變化。這些都意味著輸入電流的增大一倍不會一定使輸出的電流增大一倍。窄的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的線性比寬的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的線性要差。
在同樣的擊穿電壓條件下，窄的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管有較高的截止頻率fT，但是寬的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管有較好的線性。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述不足之處，本發(fā)明的主要目的旨在提供一種既能具有優(yōu)化尺寸的兩個獨立的相鄰的，成對發(fā)射極和一對基極和一對集電極構成一異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，又能提高鍺硅對功放應用的截止頻率和擊穿電壓的集電極耦合功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元。
本發(fā)明要解決的技術問題是主要解決兩個獨立的相鄰的，成對發(fā)射極和一對基極和一對集電極構成異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元的結(jié)構問題，要解決如何提高鍺硅對功放應用的截止頻率和擊穿電壓等有關技術問題。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是該裝置由發(fā)射極、基極和集電極組成的晶體管、電源、互補金屬-氧化物-半導體及集成電路等，由兩個獨立的相鄰的成對發(fā)射極和一對基極和一對集電極構成一異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其間設有一優(yōu)化的尺寸S，其中第一發(fā)射極長度為SE1，第二發(fā)射極長度為SE2，第一發(fā)射極長度SE1和第二發(fā)射極長度SE2之間的距離為優(yōu)化的尺寸S，該優(yōu)化的尺寸S為放大或為縮小的距離，并導致發(fā)射極長度SE為窄和為寬。
所述的集電極耦合功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元的優(yōu)化的尺寸S，其選在第一發(fā)射極長度SE1和第二發(fā)射極長度SE2之間；當優(yōu)化的尺寸S為放大時，窄的發(fā)射極SE將會獨立地運作；窄的第一發(fā)射極長度SE1和第二發(fā)射極長度SE2為獨立的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，并各自運行在較高的頻率；當優(yōu)化的尺寸S為零時，窄的第一發(fā)射極長度SE1和第二發(fā)射極長度SE2會成為一個較寬的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管；當優(yōu)化的尺寸S縮小時，第一發(fā)射極長度SE1和第二二發(fā)射極長度SE2會成為一個較寬的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其集電極的電流將會交疊在優(yōu)化的尺寸S之下；當優(yōu)化的尺寸S縮小到一個最優(yōu)化的尺寸SO時，該截止頻率能保持窄0.2微米的第一發(fā)射極長度SE1或第二發(fā)射極長度SE2一樣高的值；
當優(yōu)化的尺寸S繼續(xù)縮小到小于SO時，該截止頻率將會縮小。
所述的集電極耦合功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元的一對基極和一對集電極組成或為單個基極和單個集電極組成。
所述的集電極耦合功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管或為同質(zhì)結(jié)或為異質(zhì)結(jié)。
本發(fā)明的有益效果是該裝置為相鄰的成對發(fā)射極，一對基極和一對集電極構成，但又可以是單個基極和單個集電極組成；成對發(fā)射極間的距離需要保持關鍵的尺寸，一旦這個距離小于關鍵的尺寸，器件的截止頻率將會下降；異質(zhì)結(jié)雙極晶體管在窄發(fā)射極下展示了比寬發(fā)射極高的截止頻率，能夠有效地提高異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的截止頻率和擊穿電壓；并且這種單元與主流的鍺硅雙極CMOS工藝是相兼容的。
下面結(jié)合
和實施例對本發(fā)明進一步說明。
附圖1為公知的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的發(fā)射極截面示意圖；附圖2為本發(fā)明的單個異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的頂層圖；附圖3為本發(fā)明集電極耦合功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元的頂層圖；附圖4為本發(fā)明優(yōu)化的尺寸S變大和最優(yōu)化的尺寸SO的示意圖；附圖標號說明S-優(yōu)化的尺寸；SE1-第一發(fā)射極長度；
SE2-第二發(fā)射極長度；SE-發(fā)射極長度；SO-最優(yōu)化的尺寸；IEI-本征電流；IEP-圓周電流；E-發(fā)射極區(qū)；B-基極區(qū)；C-集電極區(qū)；
具體實施例方式請參閱附圖2、3、4所示，本發(fā)明由發(fā)射極、基極和集電極組成的晶體管、電源、互補金屬-氧化物-半導體及集成電路等部件組成，由兩個獨立的相鄰的成對發(fā)射極和一對基極和一對集電極構成一異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其間設有一優(yōu)化的尺寸(S)，其中第一發(fā)射極長度為(SE1)，第二發(fā)射極長度為(SE2)，第一發(fā)射極長度(SE1)和第二發(fā)射極長度(SE2)之間的距離為優(yōu)化的尺寸(S)，該優(yōu)化的尺寸(S)為放大或為縮小的距離，并導致發(fā)射極長度(SE)為窄和為寬。
所述的集電極耦合功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元的優(yōu)化的尺寸(S)，其選在第一發(fā)射極長度(SE1)和第二發(fā)射極長度(SE2)之間；當優(yōu)化的尺寸(S)為放大時，窄的發(fā)射極長度(SE)將會獨立地運作；窄的第一發(fā)射極長度(SE1)和第二發(fā)射極長度(SE2)為獨立的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，并各自運行在較高的頻率；當優(yōu)化的尺寸(S)為零時，窄的第一發(fā)射極長度(SE1)和第二發(fā)射極長度(SE2)會成為一個較寬的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管；當優(yōu)化的尺寸(S)縮小時，第一發(fā)射極長度(SE1)和第二發(fā)射極長度(SE2)會成為一個較寬的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其集電極的電流將會交疊在優(yōu)化的尺寸(S)之下；當優(yōu)化的尺寸(S)縮小到一個最優(yōu)化的尺寸(SO)時，該截止頻率能保持窄0.2微米的第一發(fā)射極長度(SE1)或第二發(fā)射極長度(SE2)一樣高的值；當優(yōu)化的尺寸(S)繼續(xù)縮小到小于(SO)時，該截止頻率將會縮小。
所述的集電極耦合功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元的一對基極和一對集電極組成或為單個基極和單個集電極組成。
所述的集電極耦合功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管或為同質(zhì)結(jié)或為異質(zhì)結(jié)。
本發(fā)明集電極耦合功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元的有關技術特征為請參閱附圖2、3所示，圖2展示了單個異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的頂層圖。SE可以更窄或更寬，在捷智的SBC18工藝中有0.2um，0.6um或0.9um的選擇。圖3展示了集電極耦合功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元的頂層圖。在SE1和SE2之間我們有一個優(yōu)化的尺寸(S)。當S較大時，窄的SE1和SE2將是獨立的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，各自工作在較高的頻率，但是線性不好。當S＝0時，窄的SE1和SE2將會成為一個較寬的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，具有較好的線性，但fT相對的變小了。我們最終是要找到一個優(yōu)化的S并且得到可接受的fT和線性。
請參閱附圖4所示，在圖4中，當優(yōu)化的尺寸S變大時，窄的發(fā)射極SE將會獨立地工作，并且fT將會比寬發(fā)射極的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管有更高的值。當″H″為SE1＝SE2＝0.2um異質(zhì)結(jié)雙極晶體管時，fT＝fT0。由于Kirk效應通常造成fT在大電流下降低。在獨立的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管中，最高的電流密度將會發(fā)生在″A″/″B″。這意味著當電流密度JA＝JB且達到集電極摻雜濃度時，Kirk效應將會發(fā)生，而且fT開始下降。
當優(yōu)化的尺寸S縮小時，集電極的電流將會交疊在S之下，但是JM仍會低于JA/JB(假設JA＝JB)，fT將保持為fT0，并且Kirk將發(fā)生在″A″/″B″.當S＝S0，JM將會達到JA/JB(JA＝JB)，Kirk將會同時發(fā)生在″A″/″B″和″M″。當S持續(xù)的減小，JM將會比JA＝JB更高，而且Kirk將會發(fā)生在″M″早于發(fā)生在″A″/″B″，fT將會下降低于fT0。這就是為什么寬的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管例如0.4微米的管子有較低的fT(S＝0在圖4中)。
我們的優(yōu)化將會找到SO。這樣寬的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(0.2um+S+0.2um)將會獲取與0.2um異質(zhì)結(jié)雙極晶體管同樣高的fT值。并保持相同的擊穿電壓。當然，我們需要付出額外的芯片面積S，但是這是非常小的。
這樣看來象一個晶體管。當發(fā)射極和集電極相隔較遠時，它變成了兩個獨立的二極管。當發(fā)射極和集電極相碰在一起時，它變成了另一種二極管/電阻。當發(fā)射極和集電極相隔足夠近但又沒有相碰時，它變成了一個晶體管！
結(jié)論我們發(fā)明了一種新的功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元，集電極耦合功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元。這種單元能夠有效地提高異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的截止頻率和擊穿電壓。并且這種單元與主流的鍺硅雙極CMOS工藝是相兼容。
1.集電極耦合異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的頂層圖3的結(jié)構相鄰的成對發(fā)射極，一對基極和一對集電極構成，但又可以是單個基極和單個集電極組成。這個版圖是直線條發(fā)射極結(jié)構，但只要具有相鄰成對的發(fā)射極，它可以是其它的結(jié)構。
2.成對發(fā)射極間的距離需要保持關鍵的尺寸。一旦這個距離小于關鍵的尺寸，器件的截止頻率(fT)將會下降。
3.異質(zhì)結(jié)雙極晶體管在窄發(fā)射極下展示了比寬發(fā)射極高的截止頻率(fT)。
4.異質(zhì)結(jié)雙極晶體管可以在雙極性Bipolar或雙極互補金屬-氧化物-半導體BiCMOS工藝中應用，包括同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)。
權利要求
1.一種集電極耦合功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元，該裝置由發(fā)射極、基極和集電極組成的晶體管、電源、互補金屬-氧化物-半導體及集成電路，其特征在于由兩個獨立的相鄰的成對發(fā)射極和一對基極和一對集電極構成一異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其間設有一優(yōu)化的尺寸(S)，其中第一發(fā)射極長度為(SE1)，第二發(fā)射極長度為(SE2)，第一發(fā)射極長度(SE1)和第二發(fā)射極長度(SE2)之間的距離為優(yōu)化的尺寸(S)，該優(yōu)化的尺寸(S)為放大或為縮小的距離，并導致發(fā)射極長度(SE)為窄和為寬。
2.根據(jù)權利要求1所述的集電極耦合功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元，其特征在于所述的優(yōu)化的尺寸(S)，其選在第一發(fā)射極長度(SE1)和第二發(fā)射極長度(SE2)之間；當優(yōu)化的尺寸(S)為放大時，窄的發(fā)射極長度(SE)將會獨立地運作；窄的第一發(fā)射極長度(SE1)和第二發(fā)射極長度(SE2)為獨立的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，并各自運行在較高的頻率；當優(yōu)化的尺寸(S)為零時，窄的第一發(fā)射極長度(SE1)和第二發(fā)射極長度(SE2)會成為一個較寬的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管；當優(yōu)化的尺寸(S)縮小時，第一發(fā)射極長度(SE1)和第二發(fā)射極長度(SE2)會成為一個較寬的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其集電極的電流將會交疊在優(yōu)化的尺寸(S)之下；當優(yōu)化的尺寸(S)縮小到一個最優(yōu)化的尺寸(SO)時，該截止頻率能保持窄0.2微米的第一發(fā)射極長度(SE1)或第二發(fā)射極長度(SE2)一樣高的值；當優(yōu)化的尺寸(S)繼續(xù)縮小到小于(SO)時，該截止頻率將會縮小。
3.根據(jù)權利要求1所述的集電極耦合功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元，其特征在于所述的一對基極和一對集電極組成或為單個基極和單個集電極組成。
4.根據(jù)權利要求1所述的集電極耦合功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元，其特征在于所述的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管或為同質(zhì)結(jié)或為異質(zhì)結(jié)。
全文摘要
一種涉及集電極耦合功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元，尤指一種主要用于無線通訊領域中，要求能夠提高鍺硅對功放應用的截止頻率和擊穿電壓的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管單元。該裝置由發(fā)射極、基極和集電極組成的晶體管、電源、互補金屬－氧化物－半導體及集成電路等，由兩個獨立的相鄰的成對發(fā)射極和一對基極和一對集電極構成一異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其間設有一優(yōu)化的尺寸S；主要解決如何提高鍺硅對功放應用的截止頻率和擊穿電壓等有關技術問題。本發(fā)明的優(yōu)點是異質(zhì)結(jié)雙極晶體管在窄發(fā)射極下展示了比寬發(fā)射極高的截止頻率，能夠有效地提高異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的截止頻率和擊穿電壓；并且這種單元與主流的鍺硅雙極CMOS工藝是相兼容的。
文檔編號H01L29/737GK1921117SQ200610116090
公開日2007年2月28日 申請日期2006年9月15日 優(yōu)先權日2006年9月15日
發(fā)明者馬平西, 馬可·瑞可那里, 李偉 申請人:捷智半導體研發(fā)(上海)有限公司