高热稳定性的功率GeSi HBT的设计和研制

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随着GeSi HBTs越来越广泛的应用于射频/微波通信、卫星通信和功率放大器等领域,如何在高频、大功率应用的前提下,提高GeSi HBT的热稳定性,成为人们需要研究的一个重要问题。 为了提高GeSi HBT的功率,通常采用发射极条长和条间距均匀分布的多发射极条(指)并联的结构。然而由于自热和条间的热耦合效应,靠近中间条上的温度往往高于两边条上的温度。发射极条上的温度不均匀,一方面限制了GeSi HBT的功率处理能力;另一方面,使器件变得热不稳定,容易出现热烧毁,导致器件失效。 通过求解热传导方程,研究了使GeSi HBT发射极条上的温度分布变得更均匀的设计方法。通过计算机模拟发现,非均匀条长、非均匀条间距和非均匀发射极镇流电阻设计都可以有效地改善器件温度均匀性,降低器件的最高结温。同时还发现,在温度分布均匀性改善方面,当发射极条长分布、条间距分布和发射极镇流电阻分布按二次函数式取值时比一次函数式取值更有效,指数函数式取值比二次函数式取值更有效。 利用模拟得到的优化设计方案,按照工艺条件的限制,对器件的结构参数进行了设计,分别绘制出了条长、条间距非均匀分布和加镇流电阻的多种GeSi HBTs的版图,并开发出GeSi HBT的工艺步骤,成功用于器件制造,验证了版图设计和工艺流程的正确性。 对制作好的GeSi HBT,首先对它们的直流特性进行了测试。主要测试了输出特性曲线、Gummel曲线、Ic-HFE曲线及部分结特性曲线,得到了一些直流参数和极限参数。器件的开启电压、反向电流、电流放大系数、击穿电压、最大集电极工作电流等参数都比较令人满意。发射极线电流密度达到1.06-1.87A/cm,远高于Si BJT的线电流密度。这对器件的功率特性是非常有利的。 最后,对几组器件进行了表面温度分布的测试与对比。采用非均匀条长和非均匀条间距设计的器件,表面温度更加均匀,最高结温也大幅度下降。采用均匀发射极镇流电阻的结构,虽然器件的整体温度下降,但最高温仍出现在中心指上,且温度分布仍不均匀。这些结果与模拟结果比较吻合。
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