锗化硅材料导电特性的综述
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2020-12-31
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锗化硅材料导电特性的综述
摘要：从 Si 材料到化合物半导体再到 SiGe，微电子领域应用对材料提出了很高的要求，而
这些材料却具有不断优化的性能，SiGe 在高速发射和集成方面有很大的进步，SiGe-HBT 等
新技术的实验与开发为新材料带来了非常大的应用空间。
1 引言
随着半导体材料的发展和生产工艺的发展，对于半导体材料的性能要求越来越高，领
域内产品的开发和人们的需求对于半导体材料在其电学特性上的要求也越来越高。在微电
子领域，30 多年以来，Si 一直是半导体工业中占绝对优势的半导体材料。尽管最早采用的
是 Ge，并且其他某些半导体材料也许具有较高的载流子迁移率、较大的载流子饱和漂移速
度和较宽的禁带宽度,但由于 Si 的许多优良特性，利用 Si 能够实现最廉价的集成电路工艺,
所以在整个微电子技术中，Si 器件的应用超过了 97%。
然而不同的半导体材料具有不同的电学特性，也具有针对不同需求的应用功能。在此
同时，还诞生了很多新型半导体材料，比如 SiC、SiGe，这些化合物半导体融合了元素半导
体的强项性能，在微电子领域有更好的应用。本文介绍的是 SiGe 材料的导电特性，分别从
理论和实验应用方面展开论述。
2 理论研究和实验研究
2.1 理论研究
虽然现在 Si 在微电子技术中占据着主导地位,但是由于其载流子的迁移率和饱和漂移速
度较低，而且具有间接跃迁能带结构,限制了它在若干方面的应用。因此，在许多模拟电子
技术领域，特别是在高频、高速方面(例如射频功率放大器和激光器)，往往是 GaAs、InP 等
化合物半导体起主要作用。然而化合物半导体技术难以大规模集成，同时，加工不便、成
本较高，所以人们还是希望从 Si 技术中寻找出适应高频、高速需要的新技术。最早由 IBM
提出的 SiGe 技术在很大程度上满足了这种需求。SiGe 技术由于能够在 Si 片上通过能带工程
和应变工程改善 Si 的性能，同时又能够采用成熟和廉价的 Si 工艺技术来加工，所以受到人
们的极大关注。以下分析一下 Ge 组分对 SiGe 的影响：
一．Ge 的带隙宽度为 0.67V，而 Si 的带隙宽度为 1.12V，所以其特性有较大的改善，便
于作 HBT 的基区以提高发射效率。
二．Ge 的电子迁移率是 Si 的 2.6 倍，空穴迁移率是 Si 的 3.5 倍，而器件的速度取决于
在一定电压下载流子被“推动”而通过期间的速度，所以 Ge 的注入在很大程度上提高了发射
速率，增大了电流增益。
三．同时因能带作用，SiGe 基区可以进行高掺杂，使基区可以做的很薄，打打缩短了
电子在基区中的渡越时间，所以器件速度得以大幅度提高。
增加电子和空穴的迁移率在理论方面带来的利处有：
一．为实现场效应集成电路的超高频和超高速性能，就需要提高其中场效应晶体管
(FET)的载流子迁移率。实际上，从某种意义上来说，增强载流子迁移率的措施是一种必不
可少的手段。因为信号在集成电路中传输的延迟时间 τd 与信号的逻辑电压摆幅 Vm 和载流
子迁移率 μ 成反比,即:
τd CL/(μVm)∝
式中，CL 是负载门扇出的输入电容与寄生电容之和。逻辑门开关工作所耗散的能量(为
Pdτd)必须大于使电容 CL 的状态能够发生转换的能量(即等于 CL 所存储的能量),即有:
Pdτd=CLVm2/2
可见，信号传输的延迟时间与逻辑电压摆幅成反比，而开关能量却与逻辑电压摆幅的
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