摘要：從Si材料到化合物半導體再到SiGe，微電子領域應用對材料提出了很高的要求，而這些材料卻具有不斷優化的性能，SiGe在高速發射和集成方面有很大的進步，SiGe-HBT等新技術的實驗與開發為新材料帶來了非常大的應用空間。

1引言

隨著半導體材料的發展和生產工藝的發展，對于半導體材料的性能要求越來越高，領域內產品的開發和人們的需求對于半導體材料在其電學特性上的要求也越來越高。在微電子領域，30多年以來，Si一直是半導體工業中占絕對優勢的半導體材料。盡管最早采用的是Ge，并且其他某些半導體材料也許具有較高的載流子遷移率、較大的載流子飽和漂移速度和較寬的禁帶寬度,但由于Si的許多優良特性，利用Si能夠實現最廉價的集成電路工藝,所以在整個微電子技術中，Si器件的應用超過了97%。

然而不同的半導體材料具有不同的電學特性，也具有針對不同需求的應用功能。在此同時，還誕生了很多新型半導體材料，比如SiC、SiGe，這些化合物半導體融合了元素半導體的強項性能，在微電子領域有更好的應用。本文介紹的是SiGe材料的導電特性，分別從理論和實驗應用方面展開論述。

2理論研究和實驗研究

2.1理論研究

雖然現在Si在微電子技術中占據著主導地位,但是由于其載流子的遷移率和飽和漂移速度較低，而且具有間接躍遷能帶結構,限制了它在若干方面的應用。因此，在許多模擬電子技術領域，特別是在高頻、高速方面(例如射頻功率放大器和激光器)，往往是GaAs、InP等化合物半導體起主要作用。然而化合物半導體技術難以大規模集成，同時，加工不便、成本較高，所以人們還是希望從Si技術中尋找出適應高頻、高速需要的新技術。最早由IBM提出的SiGe技術在很大程度上滿足了這種需求。SiGe技術由于能夠在Si片上通過能帶工程和應變工程改善Si的性能，同時又能夠采用成熟和廉價的Si工藝技術來加工，所以受到人們的極大關注。以下分析一下Ge組分對SiGe的影響：

一．Ge的帶隙寬度為0.67V，而Si的帶隙寬度為1.12V，所以其特性有較大的改善，便于作HBT的基區以提高發射效率。

二．Ge的電子遷移率是Si的2.6倍，空穴遷移率是Si的3.5倍，而器件的速度取決于在一定電壓下載流子被“推動”而通過期間的速度，所以Ge的注入在很大程度上提高了發射速率，增大了電流增益。

三．同時因能帶作用，SiGe基區可以進行高摻雜，使基區可以做的很薄，打打縮短了電子在基區中的渡越時間，所以器件速度得以大幅度提高。

增加電子和空穴的遷移率在理論方面帶來的利處有：

一．為實現場效應集成電路的超高頻和超高速性能，就需要提高其中場效應晶體管(FET)的載流子遷移率。實際上，從某種意義上來說，增強載流子遷移率的措施是一種必不可少的手段。因為信號在集成電路中傳輸的延遲時間τd與信號的邏輯電壓擺幅Vm和載流子遷移率μ成反比,即:

τd∝CL/(μVm)

式中，CL是負載門扇出的輸入電容與寄生電容之和。邏輯門開關工作所耗散的能量(為Pdτd)必須大于使電容CL的狀態能夠發生轉換的能量(即等于CL所存儲的能量),即有:

Pdτd=CLVm2/2

可見，信號傳輸的延遲時間與邏輯電壓擺幅成反比，而開關能量卻與邏輯電壓擺幅的平方成正比。這表明，縮短信號傳輸的延遲時間和降低開關能量，在對邏輯電壓擺幅的要求上是矛盾的。因此，為了保證集成電路能夠穩定地工作，不致因發熱而受到影響,應當適當地降低邏輯電壓擺幅(以減小開關能量)；但與此同時，為了保證集成電路具有較高的工作速度，只有提高載流子的遷移率來縮短信號傳輸的延遲時間。所以，超高速場效應邏輯集成電路必須采用具有較高載流子遷移率的器件。

2.2實驗研究

1998年，研制出實用的射頻(RF)SiGe異質結雙極型晶體管(SiGe2HBT)，并且在微電子技術的主流領域———CMOS集成電路中表現出越來越重要的作用。

SiGe-HBT的應用很大程度上是理論研究的結果，但是既然已經應用到實處，不得不說這屬于實驗的范疇。通過數據資料不難看出由于頻率、速度、放大頻率以及寄生電容等本身存在若干固有的內在矛盾，常規BJT難以實現超高頻、超高速，20世紀50年代提出來的HBT(異質結雙極型晶體管)是克服了常規BJT固有矛盾的一種雙極型器件。

SiGe-HBT是發射區用Si，基區用SiGe制作的一種異質結雙極型晶體管，即采用Si/SiGe異質結作為發射結的晶體管。這種異質結用作n-p-n型HBT的發射結，可大大提高晶體管的電流放大系數,并使電流放大系數基本上與發射結兩邊的摻雜濃度無關。自從1983年IBM首先研制出SiGe2HBT以來，現在采用Si工藝制作的SiGe-HBT的高頻、高速性能已提高到接近III2V族化合物半導體HBT的水平(研究樣品的fT達到360GHz，預計有可能超過400GHz；產品的fT和fmax超過了100GHz)。SiGe-HBT的低頻噪聲(1/f噪聲)特性與Si2BJT的差不多，優于GaAs2MES2FET和Si2MOSFET；而且，高頻熱噪聲也因為基極電阻很小而明顯降低。在實驗和應用領域，另一個重要的SiGe發展方向就是把應用于RF電路的SiGe-HBT和應用于數字電路的Si-CMOS結合起來,即把模擬和數字功能集成到一個芯片上,實現所謂SiGe-BiCMOS技術。不僅可以優化性能而且還比較容易集成，利用SiGe也能夠制出性能優異的高速A/D轉換器，當然很多還處于實驗階段，比如無線帶寬和數字通信等領域內的應用。

3總結

通過以上分析，可以見到：（1）SiGe新材料克服了Si應用于超高頻、超高速方面的困難。（2）SiGe提高了半導體的發射效率，同時也解決了化合物半導體難以大規模集成的缺點。（3）在實驗研究領域，有大量的利用SiGe新材料的技術被開發出來，如SiGe-HBT，在工藝領域有很重要的應用。簡而言之，,SiGe是繼Si、GaAs之后一種重要的半導體材料。利用SiGe微電子技術,有可能使Moore定律的有效性得以延長。所以,SiGe半導體對于微電子技術的進一步發展具有極其重要的意義。

fqj