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由于SiGe HBT具有高的功率处理能力,高的热稳定性和与现行硅基BiCMOS技术相兼容等方面的优势,越来越多的应用在无线通讯和微波功率领域中。功率SiGe HBT通常采用均匀发射极指间距、均匀发射极指长的多指结构,这样的结构,由于发射极指上的自热和各发射极指之间的热耦合效应,将会使器件中心指上的温度较高。由于发射极电流具有正的温度系数,这又会使中心指传导更多的电流从而产生更多的热,最后会导致整个器件热不稳定甚至烧毁。本文利用有限元方法对多指功率SiGe HBT的热性能进行分析研究,并提出了一种新型结构来抑制器件热效应,改善器件的热不稳定性。本论文主要工作如下:
本文从器件结构模型建立、热阻的构成、热传导途径、热模拟分析方法等方面发展和完善了多指功率SiGe HBT有限元热分析的理论和方法。考虑到实际器件的热主要产生在体内集电结处,建立了更精确的有限元热传导模型。针对发射区厚度(200nm)与衬底厚度(150μm)尺寸相差悬殊的问题,提出两步模拟法分别对衬底和有源区进行热模拟。
论文在分别对具有发射极指非均匀结构和发射极指分段结构的器件进行有限元热分析后发现,前者各发射极指之间的温度分布均匀性得到提升,后者在发射极指上的温差得到降低。在此基础上,我们提出一种新型器件结构,该结构具有非等值发射极指间距、非等值发射极指长以及非等值发射极指段间距。通过对其进行有限元热分析发现,新结构器件不仅最高结温显著下降,而且在二维方向(器件表面)上器件整体温度分布均匀性也有很大改善,器件热效应得到明显抑制,整体热性能显著提升。
立足国内现有工艺和材料生长条件,论文给出了SiGe HBT的工艺流程并制作了具有发射极指均匀结构和非均匀指间距结构的功率SiGe HBTs。对这两种器件进行了红外测试,发现具有非均匀指间距结构的器件峰值温度下降了16.5℃,热阻下降了5.6℃/W,改善幅度大于16％。结果表明非均匀结构明显提升了器件热性能,改善了器件的热不稳定性。