用于射頻和微波測試系統(tǒng)的DHBT IC 技術(shù)

InP 技術(shù)拓展了原有InGaP/GaAs 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管集成電路HBT IC技術(shù) [1][2]，在不犧牲可靠性和可制造性的基礎(chǔ)上使得測試儀器的性能達(dá)到67GHz和54Gb/秒。與GaAs相比InP具有非常優(yōu)異的材料特性，例如更高的飽和及峰值電子速率，更高的熱導(dǎo)率，更低的表面復(fù)合速率，以及更高的擊穿電場強(qiáng)度。然而，在傳統(tǒng)的GaInAs 基區(qū)/InP 集電區(qū)雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管DHBT中存在集電結(jié)異質(zhì)界面導(dǎo)帶不連續(xù)。解決這種 I 型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)所帶來的問題需要認(rèn)真設(shè)計能帶梯度以消除低偏置下集電區(qū)電子的阻塞。與之相比，選擇GaAsSb作為基區(qū)，InP 作為集電區(qū)能夠形成沒有阻塞效應(yīng)的 II 型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)，同時保持窄的基區(qū)帶隙所具有的低開啟電壓和低功耗特性[3]. 結(jié)合其在復(fù)雜電路中良好的熱學(xué)特性，以GaAsSb/InP為 基區(qū)/集電區(qū)的高速、高擊穿電壓異質(zhì)結(jié)雙極晶體管HBT非常適用于測試儀器產(chǎn)品。
II. 制備工藝
制備工藝采用1 μm 臨界尺寸G-線分步光刻。在半絕緣InP襯底上通過分子束外延方法生長異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 HBTs各外延層，形成 1 × 3 μm2 最小尺寸發(fā)射極和自對準(zhǔn)蒸發(fā)基極金屬電極。 采用選擇性和非選擇性濕法腐蝕工藝，以及非選擇性Cl2/Ar-基電感應(yīng)耦合等離子體(ICP) 干法刻蝕工藝制備發(fā)射極臺面，基區(qū)歐姆接觸電極，基區(qū)/集電區(qū)臺面，次集電區(qū)隔離臺面。等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）Si3N4 作為鈍化介質(zhì)。晶體管集成了22歐姆/sq Ta2N 電阻， 250 歐姆/sq WSiN 電阻和PECVD淀積Si3N4 的0.58 fF/μm2 金屬-介質(zhì)-金屬MIM 電容。聚苯丙環(huán)丁烯（BCB）用來實現(xiàn)器件表面平坦化，發(fā)射極、基極、集電極歐姆接觸電極以及其他無源單元通過電極孔淀積金屬實現(xiàn)金屬互聯(lián)。金屬互聯(lián)采用3層TiPtAu：前兩層為6 μm 電極接觸孔，第三層為8 μm電極接觸孔(Fig. 1)。襯底被減薄到90 μm.。通過刻蝕背面通孔和電鍍金實現(xiàn)背面接地(Fig. 2)。背面通孔通過掩膜版和HBr-基ICP刻蝕實現(xiàn)[4] 。
文獻(xiàn)[5] [12]介紹了一些其它InP 雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管集成電路DHBT IC技術(shù)，它們都采用GaInAs 作為基區(qū)。 GaAsSb-基區(qū)雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管DHBT在高速射頻分立器件[13][14]和集成電路 [15][16] 方面均不斷地有相關(guān)的研究結(jié)果予以報導(dǎo)。本項工作首次報導(dǎo)了在生產(chǎn)環(huán)境下制備的具有高擊穿電壓，200 GHz工作，以GaAsSb為基區(qū)的 InP雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管集成電路 DHBT IC工藝。

III.HBT 直流和射頻特性

典型HBT 共發(fā)射極直流特性 (集電極電流—集電極偏置，基極電流間隔30 μA)顯示出這些器件具有良好的電流-電壓特性 (Fig. 3)。在工作電流密度為1.5 mA/μm2下，HBT 器件實現(xiàn)了fT = 185 GHz，fmax = 220 GHz 以及峰值 fT > 200 GHz。 在比InGaP/GaAs HBT 大的多的電流密度范圍內(nèi)截至頻率保持在很高的水平(Fig. 4).
共基極模式開態(tài)擊穿壓(BVcbx)發(fā)生在集電極—基極電壓為9 V，集電極電流為JC = 1.3 mA/μm2時。共發(fā)射極模式開態(tài)擊穿(BVceo) 發(fā)生在集電極—發(fā)射極電壓接近7V時。
IV.可生產(chǎn)性

工藝的設(shè)計考慮到性能、可靠性和可生產(chǎn)性之間的平衡。從成品率損失Pareto 圖 Fig. 5 中可以看出發(fā)射區(qū)/基區(qū)短路是影響成品率的主要原因，基區(qū)電極柱損失是影響遠(yuǎn)小于發(fā)射區(qū)/基區(qū)短路的第二個原因。影響成品率的其它失效模式的影響相對較小，都在測試不確定范圍內(nèi)。由500個晶體管組成的典型電路所達(dá)到的成品率已能夠滿足小規(guī)模儀器的應(yīng)用應(yīng)用。