GaAs是什么意思s在线翻译读音例句

天津工业大学硕士学位论文

Ｇａｈｓ基异质结双极晶体管（ＨＢＴ）的模拟、

设计与制作

（申请硕士学位）

专业：计算机应用技术

研究生：胡海洋

指导老师：苗长云教授

牛萍娟副教授

天津３－业大学通信学院

二ｏＯ四年十二月

天津Ｔ业大学硕士学位论文

内容摘要

异质结双极晶体管（ＨＢＴ）的特点具有宽带隙的发射区，能大大提高发射结

的载流子注入效率，降低基区串联电阻，其优异的性能包括高速、大功率、低噪

声、线性度好、单电源工作等，广泛应用于微波毫米波电路、高速数字电路、模

／数转换器、光通信及移动通信等领域。

本文首先叙述了ＨＢＴ的原理、特性、结构设计、典型材料、器件结构和模

拟，以及ＧａＡｓ基ＨＢＴ结构的研究状况，然后详细描述了Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓ，

ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ，ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓ三种ＧａＡｓ基ＨＢＴ器件的材料生长、制作工艺及其

特性。

本文所做的主要工作有：

１．生长ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ材料体系的ＨＢＴ，通过制作大尺寸器件验证其直流特

性，并对器件制作工艺进行优化。由于Ａ１ＧａＡｓ和ＧａＡｓ晶格常数十分接近，材

料生长和器件制各都比较成熟，研究Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ可为其他新型ＨＢＴ材料

研究奠定基础。通过设计突变结和缓变结ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ，综合考虑Ｂｅ的扩

散和基区的晶体质量，优化基区的生长条件，制备了大尺寸的ＨＢＴ器件，通过

其直流特性和频率特性的测试结果，表明器件的均匀性和输出特性的线性度都比

较好。

２．由于ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ在材料性能和器件制作上具有ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ无法比拟

的优势，ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ成为目前ＧａＡｓ基ＨＢＴ研究和应用的主流。在国内

ＭＢＥ系统上首次引进分解ＧａＰ产生Ｐ这一新型固态Ｐ源来生长ＩｎＧａＰ外延层，

得到高质量ＩｎＧａＰ外延层。利用选择性腐蚀可以精确地完成器件各台面的刻蚀，

制作出均匀性和输出特性的线性度都比较好的ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ器件。

３．ＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂＨＢＴ（ＭＭＨＢＴ）由于兼备ＧａＡｓ的相对低成本和ＩｎＰＨＢＴ

的高频等优点，有着广泛的应用前景。作者根据以前的实验结果，设计并生长了

ＧａＡｓ／ＧａＡｓｏ讲ｓｂｏ双异质结ＨＢＴ结构材料，对制作的大尺寸的器件的直流特

性进行了测试和分析。ＭＭＨＢＴ是一个非常值得研究的方向。

关键词：异质结双极晶体管（ＨＢＴ），分子束外延（ＭＢＥ），器件模拟，频

率特性

天津Ｔ业大学硕士学位论文

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＨＢＴ、ｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄ

ｗｉｔｈｗｉｄｅ

ｅｎｅｒｇｙｇａｐ

ｅｍｉｔｔｅｒｔｈａｔ

ｇｒｅａｔｌｙ

ｉｎｃｒｅａｓｅｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ

ｔｈａｔｃａｒｒｉｅｒｉｎｊｅｃｔｅｄｆｒｏｍｅｍｉｔｔｅｒｊｕｎｃｔｉｏｎａｎｄ

ｍａｄｅｂａｓｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ

ｌｏｗｅｒ．Ｗｉｔｈｉｔｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ，ｌａｒｇｅ

ｐｏｗｅｒ，

ｌｏｗ

ｎｏｉｓｅ，ｇｏｏｄｌｉｎｅａｒｉｔｙ

ａｎｄ

ｓｉｎｇｌｅｐｏｗｅｒ

ｓｕｐｐｌｙ，ＨＢＴｃａｎｂｅ

ｗｉｄｅｌｙ

ｕｓｅｄ

ｉｎ

ｆｉｅｌｄｏｆ

ｍｉｃｒｏｗａｖｅｐｏｗｅｒ，ｈｉ曲一ｓｐｅｅｄｄｉｇｉｔａｌ

ｃｉｒｃｕｉｔａｎｄ

ｐｈｏｔｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．

Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ

ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｈｅ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｄｅｓｉｇｎｓ，ｔｙｐｉｃａｌ

ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ

ａｎｄ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｒｅｃｅｎｔ

ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ

ｏｆＧａＡｓ—ｂａｓｅｄ

ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｂｉｐｏｌａｒ

ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ（ＨＢＴｓ）．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌ

ｇｒｏｗｔｈ，ｄｅｖｉｃｅ

ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ

ｐｒｏｃｅｓｓ

ａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＡ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ＇ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴａｎｄ

ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓ

ＨＢＴｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．

Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇａｒｅｔｈｅｍａｉｎｗｏｒｋｓｏｆｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ：

１．Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴｉＳ

ｇｒｏｗｎ

ｂｙ

ＭＢＥｗｉｔｈａｃｏｍｐｏｕｎｄ尤其的拼音

Ａｓ

ｓｏｕｒｃｅ，ａｎｄ

ｗｅ

ｓｔｕｄｉｅｄ

ｔｈｅ

ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ

ｂｅｔｗｅｅｎｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｄｅｖｉｃｅ

ｔｈｒｏｕｇｈｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ

ａｎｄ

ｔｅｓｔｉｎｇ

ｌａｒｇｅ

ｄｉｍｅｎｓｉｏｎＨＢＴｓ’ｄｅｖｉｃｅ．Ｔｈｅ

ｇｒｏｗｔｈ

ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｓ

ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｍａｎｙ

ＨＢＴｓａｒｅ

ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ

Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓｓｙｓｔｅｍ

ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅ

ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ

ｍａｔｕｒｅ

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ｏｆｔｈｅ

ｍａｔｅｒｉａｌｓｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ

ｍｅａｎｗｈｉｌｅ

ＡＩｘＧａｌ．ｘＡｓ

ｉｓ

ｌａｔｔｉｃｅｍａｔｃｈｅｄｔｏＧａＡｓｆｏｒａｌｌｍｏｌｅ

ｆｒａｃｔｉｏｎｓ

Ｘ．Ａｂｒｕｐｔ

ａｎｄ

ｇｒａｄｅｄ

ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴｓｗｅｒｅ

ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ

ｔｈｅ

ｇｒｏｗｔｈ

ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅ

ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ

ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｉｆｆｕｓｉｏｎｏｆＢｅａｎｄｔｈｅ

ｃｒｙｓｔａｌｑｕａｌｉｔｙ

ｏｆｂａｓｅ．

Ｔｈｅ

ｌａｒｇｅ

ｄｉｍｅｎｓｉｏｎＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ

ｗａｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄａｎｄｉｔｓＤＣａｎｄ

Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ

ｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄ，ｗｈｉｃｈｓｈｏｗｅｄ

ｇｏｏｄ

ｕｎｉｆｏｎｎ

ａｎｄ

ｌｉｎｅａｒｉｔｙ．

２．Ｒｅｃｅｎｔｌｙ，ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ

ｈａｓｂｅｅｎ

ａｔｔｒａｃｔｉｎｇ

ｉｎｔｅｒｅｓｔａｓａｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎｔｏ

ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓｆｏｒＧａＡｓ—ｂａｓｅｄ

ＨＢＴ

ｂｅｃａｕｓｅ

ｔｈｅｆｏｒｍｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈａｓａｌａｒｇｅｒ

ｖａｌｅｎｃｅ

ｂａｎｄｏｆｆｓｅｔ，ａ

ｌｏｗｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ

ｖｅｌｏｅｉｔｙ，ａｈｉｇｈｅｒ

ｗｅｔ

ｅｔｃｈｉｎｇｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ

ａｎｄｌｅｓｓ

ｄｅｅｐ

ｄｏｎｏｒｌｅｖｅｒ（ＤＸｃｅｎｔｅｒ）．ＩｕＧａＰｅｐｉｌａｙｅｒｓ

ｗｅｒｅ

ｇｒｏｗｎｂｙ

ＭＢＥｗｉｔｈａ

ＧａＰ

ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ

ｓｏｕｒｃｅ，ｗｈｉｃｈ

ｗａｓ

ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｏＣｈｉｎａｉｎＭＢＥ

ｓｙｓｔｅｍ．Ａｌｌ

ｔｈｅ

ｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔ

ＩｎＧａＰ

ｅｐｉｌａｙｅｒｓｇｒｏｗｎｕｎｄｅｒ

ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ

ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅ

ｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙ．Ｔｈｅ

ｌａｒｇｅ

ｄｉｍｅｎｓｉｏｎＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴｗａｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄａｎｄｉｔｓＤＣａｎｄ

矗ｅｑｕｅｎｃｙ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ

ｗｅｒｅ

ｍｅａｓｕｒｅｄ，ｗｈｉｃｈ

ｓｈｏｗｅｄ

ｇｏｏｄ

ｕｎｉｆｏｒｍａｎｄ

ｌｉｎｅａｒｉｔｙ，

ｉｔｓｈｉ曲ｅｓｔｃｕｔ—ｏｆｆ

ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

ｒｅａｃｈｅｄ

２．５０Ｈｚ．

３．ＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ

ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃＨＢＴｓ（ＭＭＨＢＴｓ）ｈａｖｅｇｒｅａｔｐｏｔｅｎｔｉａｌ

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ

ｂｅｃａｕｓｅ

ｔｈｅｙ

ｈａｖｅｂｏｔｈｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｌｏｗｃｏｓｔｏｆＧａＡｓ—ｂａｓｅｄａｎｄ

ｈｉｇｈ

天津工业大学硕士学位论文

行ｅｑｕｅｎｃｙ

ｏｆｌｎＰ．ｂａ８ｅｄＨＢ－ＴｈｅＧａＡ８／Ｇｎ８０．钾ｓｂｏ卯ＤＨＢＴｗｅ‘ｅ

ｄｅｓｉｇｎｅｄ

ａｎｄ

ｇｒｏｗｎｂｙ

ＭＢＥｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆＭＭＨＥＭＴ．Ｔｈｅ

ｌａｒｇｅ

ｄｉｍｅｎｓｉｏｎＨＢＴｗａｓ

ｆａｂｒｉｃａｔｅｄａｎｄｉｔｓＤＣ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄａｎｄ

ａｎａｌｙｚｅｄ．ＭＭＨＢＴｉｓａｖｅｒｙ

ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ

ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｊｅｃｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｅｔｅｒｏ－ｊｕｎｃｔｉｏｎＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＨＢＴ），ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍ

Ｅｘｐｉｔａｘｙ（ＭＢＥ），Ｄｅｖｉｃｅ

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

Ｃｈａｒａｃｔｅｒ

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的

研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表

或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗墨些叁茎或其他教育机构的学

位或证书而使用过的材料。与我～同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在

论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名：船ｌ务签字目期泸嗲年／月ｚ。日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解鑫鲞墨些盘鲎有关保留、使用学位论文的规

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（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）

学位论文作者签名—瘌砖副牵跏签名％奴劳溉

签字日期：炒弦ｆ月≯２，日签字目缈，月≯Ｚ／日

学位论文的主要创新点

一、模拟并设计＝ｒＡ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ，优化了基区的生长条件。

制各的大面积的ＨＢＴ器件测试了直流特性：Ｄ一９０～１００，Ｖ。髋。。＜Ｏ．３ｖ，

ＥＢ、ＢＣ结的反向击穿电压分别为８Ｖ和１５Ｖ；输出特性具有较好的

线性响应；最高截止频率达到２．５ＧＨｚ；Ｌｅｈｉｇｈｔｏｎ薄层电阻测试仪的

测试显示其具有很好的均匀性。

二、生长高质量ＩｎＧａＰ的外延层。低温ＰＬ谱以及变温ＰＬ谱表

明，该条件下生长的ＩｎＧａＰ外延层的ＰＬ谱不仅半峰宽（５．２６ｍｅＶ）

是目前报道最小的，而且峰值（１．９９８ｅＶ）接近最大值（２．０１ｅＶ）。同

时制作了大面积的器件，器件的直流特性为：１３≈３５，ＢＥ结开启电

压Ｖ。。≈１。３Ｖ，Ｖ。仃ｓ。ｔ＜Ｏ－３Ｖ。

三、ＧａＡｓＳｂ

ＨＢＴ通过增加Ｓｂ的组分降低开肩电压。制作的

Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓＤＨＢＴ采用传统的台面工艺，在集电极电流密

度Ｊｃ为２１０３Ａ／ｃｍ２的‘ｔ青ＯｇＴ，共射极增益Ｂ＝３０，开启电压为０．８Ｖ。

比目前为止文献上报道的最低开启电压０．９９０Ｖ还低。

⑧第一章异质结戏极晶体管（ＨＢＴ）

第一章异质结双极晶体管（ＨＢＴ）

１９５１年，Ｓｃｈｏｋｌｅｙ提出了异质结双极晶体管（ＨｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ，

简写为ＨＢＴ）的概念，指出可利用宽带隙材料作晶体管发射结的原理ＩＩ

Ｊ。１９５７年

Ｈ．Ｋｒｏｅｍｅｒ系统叙述了发射区材料的禁带宽度大于基区的禁带宽度可获取很高的

注入比【２】口１９７２年，Ｄｕｍｋｅ利用液相外延方法首先制成了Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴｔ…。

但是山于液相外延工艺的限制，ＨＢＴ的各种优点并未能充分体现。真正给ＨＢＴ

带来生机的是七十年代中期出现的具有原子级平滑程度，掺杂、组分及层厚能精

确控制的ＭＢＥ和ＭＯＣＶＤ超薄层外延技术，它们为ＨＢＴ的研究打下了坚实的材

料基础。１９７８年Ｂｅｌｌ实验室利用ＭＢＥ获得了调制掺杂Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓ异质结构。

在此之后，１９８０年用ＭＢＥ方法制成了ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ。近些年来，人们利用

能带工程又得到了不同材料结构的ＨＢＴ。ＨＢＴ已成为新型半导体器件研究中一个

一卜分重要的课题。

从同质的硅双极晶体管发展到ＨＢＴ，在设计上发生了根本变革。从掺杂工程

设计进入到能带工程设计。由于发射区材料和基区材料存在能带差，其注入比不

只由发射区和基区浓度比决定，而主要由两种材料的能带差决定。这样，在晶体

管的设计中，可以不考虑注入效率引起的各种限制，通过改变发射区和基区的浓

度，不仅使晶体管的设计获得更大的自由度，而且可以降低基区电阻和发射结电

容，从而提高了增益。ＨＢＴ的电流增益截止频率弁高，驱动能力强，适合于高速

电路。它相位噪声低，功率密度大，在低噪声功率方面将发挥其特长。

目前，随着研究工作的深入，ＨＢＴ的应用也将更加广泛。

对超高速晶体管，减小基极电阻和发射结电容是至关重要的。基区电阻的减

小有赖于增宽基区和提高基区掺杂浓度

增宽会引起载流子渡越基区的时间增加

而这会降低电流放大系数，而且基区的

这又反过来影响到晶体管开关速度的提

高。发射结电容的减小要求降低发射区掺杂浓度，这与提高电流放大系数是矛盾

的。所以，超高速晶体管应当是发射区掺杂浓度低、基区掺杂浓度高，而且电流

放大系数也适当高的一种晶体管。这对一般结构的双极晶体管是无法完成的。但

若采用禁带宽度较基区材料宽的半导体做发射区，就可以很好地解决这个矛盾，

从而能做出超高速、超高频的双极晶体管。

第一章异质结双极晶体管（ＨＢＴ）

１．１工作原理

１。１．１同质结双极晶体管结构及原理

同质结双极晶体管是利用同种半导体材料（如硅材料）制成的具有两个ｐ－ｎ

结的晶体管，它是由电子和空穴两种载流子参与导电过程的半导体器件。两个ｐ－ｎ

结形成了发射区Ｅ、基区Ｂ、和集电区Ｃ。其基本结构分ｐ－ｎ—Ｐ型和ｎ—Ｐｎ型，如

图１—１所示。

Ｅ。下。一ｒ６

图１－１两种晶体管的结构和符号

Ｃ

实际应用电路中晶体管有三种连接方法：共基极、共发射极和共集电极，如

图ｌ一２所示。这三种连接方法中，就『Ｆ向放大区工作而言，发射极均为Ｊ下偏置，

集电极均为负偏置。

‘Ｒ）菸基拯

（ｂ）共发射极

ｔｃＪ共集电椴

图ｌ－２晶体管的三种接法

第一章异质结积极晶体管（ＨＢＴ）

发射结在『Ｆ偏置下，对于ｐ－ｎ．Ｐ型晶体管，空穴从发射区向ｎ型基区注入，电

子从ｎ型基区向Ｐ型发射区注入。由于集电结处于反偏置，当基区宽度较窄时，

注入到基区的空穴将被集电结强电场扫过耗尽区，形成集电极电流。如果大部分

从发射区注入的空穴在输运过程中未被复合掉而到达集电极，那么集电极电流就

接近发射空穴电流。显然，共基极接法中晶体管不起电流放大作用。但由于发射

极为正偏置，正向电阻小，集电结反偏置有大的集电极电阻，因此具有电压放大

和功率放大作用。

除共基极连接方式之外，共发射极被广泛采用，因为它具有电流和功率放大

作用。以ｎ－ｐ．１１型双极晶体管为例，共发射极电流放大系数（增益）Ｂ（１３。Ｉｃ／ＩＢ）

受发射效率ｑ（ｑ—Ｉ。ＥｌｉＥ）和基区输运因子ｏＢ的影响。发射效率表示由发射区注

入到基区的电子电流Ｉ。Ｅ与发射极总电流ＩＥ之比，若忽略ＥＢ结界面复合电流，理

想情况下ｎ接近１。基区输运因子ｎＢ表征了到达集电结的电子电流Ｉ。ｃ与注入到

基区的电子电流Ｉ。Ｅ之比，它反映了载流子在输运过程中在基区和ＢＣ结界面区的

复合损失情况。这种复合损失越小，ｏＢ越接近１。显然在理想情况下，ｎ。１，

。Ｂ。ｌ，Ｉ。ＥｔＩｎｃ。Ｉｃ，而ＩＢ≈Ｅ一１ｃ，表明ＩＢ很小，所以Ｂ可达到很大，即可获得较

大的电流增益。

由此可见，对于同质结双极晶体管（Ａ

Ｅｇ＝０），直流电流增益主要取决于发射

区掺杂浓度ＮＤ和基区掺杂浓度ＮＡ之比。为了提高增益，同质结双极晶体管要提

高发射区掺杂浓度、降低基区掺杂浓度，但这样会导致发射极电容、基区电阻的

增加，从而大大降低了晶体管的频率特性。而对于ＨＢＴ，可以通过适当使用不同

禁带宽度的材料获得很高的直流增益，同时还可以大幅度提高基区掺杂浓度来降

低基区电阻，减少发射区掺杂浓度来降低发射极电容，以得到很高的频率特性。

１．１．２ＨＢＴ的材料结构及原理

ＨＢＴ的材料结构较为成熟的是Ｎ—Ｐ一１２型，与同质双极晶体管ｎ—Ｐ—ｎ型比较，

用大写字母“Ｎ”替换小写“ｎ”，其含义表示发射结为ｉｑ型宽禁带材料。图１—３表

示ｎ－Ｐ—ｎ同质结和Ｎ—Ｐ－１３．ＨＢＴ的能带图。图１．４表示其掺杂分布图。

第一章异质结敏极品体管（ＨＢＴ）

基区Ｂ

图１－３

ｎｐｎ同质结和ＮｐｎＨＢＴ能带图

ｉ胥度（＿）

（ａ）Ｓｉ同质结晶体管的掺杂剖伺图

璩美ｔｎ，

（ｂ）Ａ１Ｇｎ，＾ｓ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ掺杂剖面图

图１．４ｓｉ同质结晶体管和Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ掺杂剖面图

山上图不难看出，同质结双极晶体管和ＨＢＴ在能带结构和掺杂分布上都存在

差异。同质结双极晶体管的发射区和基区有相同的禁带宽度，即△最＝Ｏ。而ＨＢＴ

Ａ凰中不等于零；在掺杂分布上，前者的发射区为高掺杂，而ＨＢＴ的发射区掺杂

浓度要低；前者的基区掺杂浓度要低于ＨＢＴ基区的掺杂浓度。这集中反映了出同

质结双极晶体管发展到ＨＢＴ，在材料结构参数的设计上发生的根本变化。

ＨＢＴ的原理结构和各区中杂质浓度的分布如图１．５所示。按能带结构形式的

不同，可有四种结构，如图２所示，（ａ）突变发射结的结构；（ｂ）缓变发射结的

结构：（ｃ）突变发射结、缓变基区的结构；（ｄ）缓变发射结、缓变基区的结构。

第一章异质结双极晶体管（ＨＢＴ）

（ａ＞突变发射结的结构

严守挑ｂ

一／门Ｌ

、、一

（ｂ）缓变发射结的结构

（ｃ）突变发射结、缓变基医的结构（ｄ＞缓变技射结、缓变基区的结构

图１．５ＨＢＴ的典型结构

（１）突变发射结ＨＢＴ。这时从发射区注入到基区的电子，其能量要比基区中

平衡电子的能量高出△Ｅｃ，此能量将转化为电子在基区渡越的初速度，高速电子

通过很薄的基区时，将近似为弹道式地渡越。虽然基区掺杂很高，但电离杂质对

高速电子的散射作用很小，所以弹道输运是可能的。渡越基区的时间较短，则基

区复合电流较小。因此，这种ＨＢＴ的电流放大系数比缓变发射结ＨＢＴ更大。但

△Ｅｒ不能大于ｒ能谷与上面的Ｌ能谷之间的能量差（约Ｏ．３３ｅＶ），否则电子一注

入到基区就立即跃迁到有效质量较大的Ｌ能谷，这样就不可能给出较大的初速度。

因为能带尖峰的存在，理论上这种ＨＢＴ的１３值是很小的，因为电子的注入受到的

界面处能带尖峰的阻挡。但是这种结果远小于实际所测的０值。造成这种差异的

原因有两种：一是部分电子可能过隧道效应穿过界面处的能带尖峰，使电流增大，

从而造成０值的提高；二是在ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ异质结发射结界面处存在有一‘组分变

化的缓变层，这也将使能带尖峰降低，导致注射效率增大。突变结对器件结构的

影响是有益的，当器件的横向尺寸缩小时，仍能维持电流增益不退化。

（２）缓变发射结ＨＢＴ。这里少数载流子通过基区将主要以扩散方式进行，因

此可采用经典的晶体管理论来讨论。对ＨＢＴ，为减小基区电阻，基区掺杂浓度往

往很高，则基区的少数载流子的寿命将很短，因此基区复合电流将是很重要的。

从减小ｃｅ，提高ｆＴ来看，希望缓变区厚度大一些较好；但从提高电子从发射区往

基区注射的能力、减小载流子在势垒区中的复合以及减小空穴从基区往发射区的

注入来看，又希望缓变区的厚度不能太大。大约为５０ｎｍ比较合适。随着ＷＧＲ的

第一章异质结烈极晶体管（ＨＢＴ）

增大，０值很快的增加，这说明缓变层具有很重要的作用；在相同缓变层厚度的

情况下，增大掺杂浓度Ｎ２／Ｎｌ，０值也将增加。

（３）缓变发射结、缓变基区。考虑基区内部的漂移电场的作用，设基区两端

带隙之差为△Ｅ加则有ｅ＝ＡＥ曲／ｑＷＢ，因基区宽度ｗＢ往往做的很薄，因此电场

可能大于２０ｋＶ／ｃｍ。在如此强的电场中运动的电子，将要发生速度过冲现象。所

以在缓变基区中渡越的电子，将不是以定态速度、而是以过冲速度通过基区的。

由于缓变基区中内建电场的作用，将使热电子渡越基区的时间缩短４倍。显然这

对改善频率、开关和放大性能都将大有好处。它的作用的多方面的，它将使基区

渡越时间减短、使电流放大系数增大、使电流放大的温度稳定性提高。至于基区

内建电场的建立，可以是如上述由材料组分缓变造成，也可由掺杂缓变来产生。

（４）突变发射结、缓变基区。对基区宽度小于０．１ｕｍ的ＨＢＴ，电子在基区

的渡越可能是弹道输运过程占优势；对较大ｗＢ的ＨＢＴ，虽然弹道输运过程可能

不是主要的，但这时速度过冲效应是必须考虑的。从具体数值来看，为保证电子

在基区中维持高速的漂移运动，似乎应当满足：ｗＢ＜０．２ｕｍ，Ｅ＜２０ｋＶ／ｃｍ，Ａ

Ｅｃ＜０．５ｅＶ。

１．２特性分析

１．２．１ＨＢＴ的，－、，特性

在同质结双极晶体管中，描述载流予输运过程的模型有扩散模型，热电子发

射模型和隧道模型等。对于ＨＢＴ来讲，仍可采用这些模型，但必须考虑异质结中

的能带不连续，能带的渐变及界面态等诸方面对载流予的影响，最终得到表征载

流子输运过程的＾矿特性。当然，若载流子的输运过程是这几种形式的组合，则

可采用复合模型。

１．２．１．１渐变异质结及，＿ｙ特性

以Ｎ—Ｐ—ｎ型ＡｌｘＧａｌ—ｘＡｓ／ＧａＡｓ单异质结双极晶体管为例，若Ｅ．Ｂ结在发射区

ＡｌｘＧａｌ－ｘＡｓ一侧，ｘ缓变，可得到平滑而连续的能带结构，消除了图１－４（ｂ）能

带图上的“尖峰”，得到了所谓的渐变异质结（如图１－６（ａ））。这时可采用与同质

结相似的扩散模型分析载流子输运过程【４１。

第一章异质结双极晶体管（ＨＢＴ）—叫．塑．≮７三茹船

了游

Ｍ！：Ｊ●瓤

、ｗ

图１－６（ａ）平衡时和（ｂ）加正向电压后ｐ－ＧａＡｓ／Ｎ—ＡｌｘＧａｌ。Ａｓ的能带图

Ｅ．Ｂ结在正偏置下，宽禁带Ｎ．ＡｌｘＧａｌ。Ａｓ发射区向窄禁带ｐ－ＧａＡｓ基区注入电

子，Ｐ型基区向Ｎ－ＡｋＧａｌ。ＡＳ发射区注入空穴。电子流和空穴流之比称为注入比。

如果异质结满足（１）空间电荷区以外是电中型；（２）载流子浓度可用玻尔兹曼统

计来近似；（３）在小信号情况（注入少子的浓度比多子的浓度少得多）；（４）耗尽

层中无复合产生，无界面态，可得到在平衡状态时和正向偏置下发射区和基区的

电子和空穴浓度，然后求解稳态电流连续方程，可以得到从发射区向基区注入的

电子流＾，和基区向发射区注入的空穴流矗２。

平衡状态时，ｐ－ＧａＡｓ基区的电子、空穴浓度为

一ｏ＝ｎ１，ｅｘｐ（（Ｅｌ，一ＥＦ）／ｋＴ）

Ｐ】ｏ＝Ｐｌ。ｅｘｐ（（ＥＦ—ＥＩ。）／ｋＴ）（１—１）

其中ｍ，为ｐ－ＧａＡｓ的本征载流子浓度，Ｅ【，是它的本征费米能级，且有

ｎｌｏ。Ｐｌｏ＝，ｚ，（１—２）

Ｎ－ＡＩ，Ｇａｌ。Ａｓ的电子、空穴浓度为：

ｎ２０＝盯２，ｅｘｐ（（Ｅ２，一ＥＦ）／ｋＴ）

Ｐ２０＝Ｐ２，ｅｘｐ（（ＥＦ～Ｅ２；）／ｋＴ）（１—３）

而且

＂２０。Ｐ２０＝ｎ２，。

（１－４）

非平衡状态时（正向偏置下），ｐ－ＧａＡｓ基区的电子、空穴浓度仍可以用上述

形式描述，但电子和空穴要用不同的费米能级ＥＦＣ和廓。米描述，即

啊＝ｎｌ。ｅｘｐ（（Ｅｌ。一ＥＨ，）／ｋｒ）

ＰＩ＝Ｐｌ，ｅｘｐ（（Ｅ，ｒ～Ｅｌ，）／ｋＴ）（１－５）

Ｎ—ＡＩ。Ｇａｌ囊ｓ的电子、空穴浓度为：

＂２０＝ｎ２，ｅｘｐ（（Ｅ２．一％）／ｋＴ）

Ｐ２０＝Ｐ２，ｅｘｐ（（Ｅｒ：ｖ—Ｅ２，）／ｋＴ）（ｔ－６）

且厮ｖ—ＥＦＣ＝ｑＫ，Ｋ为外加正偏电压。

＂ｌＰｌ＝啊。２ｅｘｐ（ｑ％）／ｋｒ）

第一章异质结双极晶体管（ＨＢＴ）

１＇１２Ｐ２＝订ｅｘｐ（ｑＶｏ）／ｋＴ）

所以，在ｐ－ＧａＡｓ空间电荷区边界上的电子浓度为

托：篮ｅｘｐ（ｑ＜／ｋｒ）

ｐ１

（１．７）

（１．８）

在Ｎ—ＡＩ，Ｇａｊ＿ｘＡｓ空Ｉ司电荷区边界上的空穴浓厦为

ｐ２：堕ｅｘｐ（ｑＶ。／ｋＴ）（１．９）

在小信号下可取

ＰＩ。ＰＩｏ，，挖２≈辩２０

（１－１０）

则ｎＩ＝ｉ，１１０ｅｘｐ（ｑＶｏ）／ｋＴ）

Ｐ２＝Ｐ２０ｅｘｐ（ｑ圪）／ｋＴ）（１－１１）

在扩散模型中，利用Ｐ区和Ｎ区的稳态连续方程：

参一［（ｎＩ－ｔｌ｜ｏ胆．叫＝ｏ（１－１２）

可ｄＺｐ２一［（岛一月２。）／Ｄｐ：ｆｎ］－ｏ（１一１３）

求解得到电子和空穴的扩散电流为驴一警Ｍ甜］㈨…

，见＝一ｑＤＬｐ。ｆｌｔ。。［ｅｘｐ、（ｑＴ。Ｖ，。，］一，］ｃ，－，ｓ，

其中厶，岛，ｃｋ，砩分别为作为少子的电子和空穴的扩散长度和扩散系数，

０和ｆ。为电子和空穴的寿命。脚标ｌ表示ｐ—ＧａＡｓ，脚标２表示Ｎ—ＡｌｘＧａｈＡｓ。总

电流可表示为：Ｈ一矗２。ｑＯＬ’，，Ｐ。ｌＯ十半］（唧警一，）㈤ｔｓ，

这就是利用扩散模型给出的渐变异质结Ｎ－ｐ的伏安特性。

由式（１．１４）和式（１．１５）可以得到发射结的注入ｔ：ｋ为

第一章异质结取极晶体管（ＨＢＴ）

立：型盟．塑：旦＆．豆．掣（１－１７）

，，：ＤｎＬ，ｐｚｏ珥：Ｌ．且ｏ《，

如果杂质完全电离，Ｈ２０和ｐｌｏ分别等于宽带ＡＩ。Ｇａｌ．ｘＡｓ和窄带ＧａＡｓ的掺杂浓

度ＮＤ２和Ｎ∥

在同质结中，ｎｌｉ＝／’２ｉ，则

立：旦．生．生（１－１８）

ｊｎＤＰ

Ｌ。Ｎｍ

由上式可以看出，同质结中注入比主要取决于ｎ区和Ｐ区的掺杂浓度比

（Ⅳ。：／虬，），所以只能利用掺杂工程设计同质结双极晶体管。

在异质结中，本征载流予浓度与材料的禁带宽度有关，即％—２（２；丁，ｒｋＴ）２（ｍｐｍ．）＇ｅｘ．ｐｆ．嘉１（１－１１９）ｎ．＝———————■———一Ｊ一—一ＪＬ—ｌｙ

Ｊ

ｎ。

代入式（１．１７）

粤：堕叠坠竺屿学ｅｘｐ［（＆：一《。）懈］

（１．ｚｏ）］

ｐ２Ｄｐ２Ｌｌ（“肿Ⅲ。２）２。ＶＡＩ

即注入比

去ｏｃ瓦ＮＤ２ｅＸｐ（峨懈）（１－２１）

显然，ＨＢＴ的注入比与发射区和基区的禁带宽度差△乜成指数关系，这样人

们就可以利用能带工程设计双极晶体管。由于△＆对注入比的影响远大于发射区

和基区的掺杂浓度的影响，这样就可以降低发射区浓度，减小发射结电容。同时，

提高基区浓度，降低基区电阻，大大改善了器件频率、噪声及增益等性能。

１．２．１．２突变异质结及，＿ｙ特性

１．扩散模型

对于一个理想的突变异质结来讲，能带图上导带有一个势垒“失峰”（见图

１．７）。

第一章异质结双极晶体管（ＨＢＴ）

Ｐ讪叫“洲肌“

专献二兰，二．二．Ｉ

图１—７加正向偏压后的理想突变异质结能带图

Ａｎｄｅｒｓｏｎ在扩散理论的基础上分析了存在“尖峰”时的载流子输运情况【”。

由于在异质结界面，导带和价带的△Ｅ，和△Ｅ的存在，电子和空穴两种载流子越

过异质结时应克服不同的势垒，若只考虑电子流在输运过程中起主要作用，那么

在平衡状态时，宽禁带Ｎ．ＡＩ：Ｇａ】。Ａｓ发射区中，只有那些能量大于ｑＶＤ２的电子才

能在窄带ＧａＡｓ材料的边界上聚集，并以扩散方式向窄带ＧａＡｓ区运动。若外加偏

压为Ｋ时，圪分别加在两种材料上，即Ｋ＝踞１十ｖ．２，这时Ｎ区势垒为ｙＤ２．Ｖ．ｅ，Ｐ

区势垒为％】圪１，％１、％２分别是交界面两侧ｐ－ＧａＡｓ和Ｎ．ＡｌｘＧａｌｏ．Ｓ中的内建电

势差。Ａｎｄｅｒｓｏｎ认为异质结界面对载流予有一定反射，而引入一个透射系数如

且／＇／２０＝Ｎ２Ｄ，最终得到Ｉ－Ｖ特性为

蝴降］唧愕］卜眙卜降）］㈨ｚｚ，

若正向偏置时忽略ｅｘｐ（一笔笋］，则

，《ｅｘｐ辔（１－２３）

即总电流与外加偏压呈指数变化关系。

２．热电子发射模型【６】

Ａｎｄｅｒｓｏｎ的异质结模型认为，能量大于ｑＶＤ２的电子是以扩散方式向窄带区运

动，而热电子发射模型则认为这些电子是以热电子发射方式，以很高的速度

（ｖ＝１０７～１０８ｃｍ／ｓ）向前运动，这样大大缩短了在基区的渡越时间。这部分的电子

数为：

⑧第一章异质结双极晶体管（ＨＢＴ）

专Ｖ２ＮＩ＿）２ｅｘｐ［一ｑ％：／ｋＴ】（１－２４）

其中砭为电子的平均热速度，且砭：、／塑，用与Ａｎｄｅｒｓ。ｎ扩散模型中类似

的处理方法最终得到

，＝执匕］－唧愕肿傺卜㈢）］㈤ｚｓ，

式（１．２２）与式（１．２５）的差别仅在于系数上的差异。

３。隧道模型

隧道模型认为电子在没有达到“尖峰”的能量时，可以以隧道方式穿过势垒

进入基区，加正向电压后电子由右向左的隧穿几率是【７】：唧挎卅嘲ｉ砷ｚｍ嚆ｔ叫㈣ｚｓ，

圪是三角形势垒的电场，也是势垒高度。隧道电流是入射电子流与隧穿几率

的乘积，上式中指数项不包括温度，一般情况下可以写成

．，＝以（Ｔ）ｅｘｐ（Ａｖ）（１－２７）

其中Ｊ。（７＿）是和温度有微弱关系的常数，爿是和温度无关的常数。所以，隧道

电流表现出的特点是ｌｎＪ－Ｖ的髓线斜率和温度无关。

在运用上述三种基本模型时，实际上还应考虑其他因素的影响，如空间电荷

区的复合电流、表面复合电流和基区复合电流等（见图ｌ一８和图１．９）

第一章异质结双极品体管（ＨＢＴ）

图１－８

Ｎ．Ｐ一１＂１型ＨＢＴ能带图及电流成分示意图

（ａ）ＨＢＴ电流成分能带幽

一ｋ纠发射区

Ｉｋ隹ｌ

基区

｝过，

如

（ｂ）哪Ｔ表面复合电流示意删

图Ｉ－９

ＨＢＴ电流成分能带图及表面复合电流示意图

ＨＢＴ的发射极电流拓可由３部分组成：

（１）电子从发射区越过势垒到达基区的电流‰；

（２）注入的电子和注入的空穴在空间电荷区的复合电流☆；

（３）基区空穴越过势垒进入发射区的空穴电流昂；

即血＝厶Ｅ＋五，＋南

基区电流坫包括：

（１）基区空穴进入发射区的空穴流昂；

（２）基区的体复合电流“；

（３）空间电荷区的空间复合电流岛；

（４）基区外表面的复合电流珞（实际器件所应考虑的）；

（５）基极欧姆接触界面复合电流如（实际器件所应考虑的）。

即启＝，ｐ＋凡，＋☆十Ｉ口＋五商乜—砧，其中／ｂｒ＝Ｉｖ，＋后“，，垴统称为基区复合电流。

集电极电流七为：七＝丘一局＝，ｎＥ也，，即集电极电流等于注入到基区的电流减去

基区复合电流。（，ｎＥ，％）偏Ｅ，／ｃ仉Ｅ称为基区输运因子。

共发射极电流增益∥为卢一１．．，５ｃ：—尝（１＿２８）

ＩＢｌＰ＋Ｉ＃＋ｌｈ

因此，要想提高增益，降低基区复合电流‰和空间电荷区的复合电流☆及表

面复合电流是非常重要的脾１１９１。表面复合电流在发射极面积与周长相比值比较大时

可以忽路。这时发射极电流增益的最大值声。；为

口。＝厶Ｅ／，Ｐ．

显然，最大增益口。。。实际上就是异质结的注入比（厶Ｂ胁）。这说明了增益和注

第一章异质结双极晶体管（ＨＢＴ）

入比有关。前面淡到要提高增益，就要降低基区复合电流（‰，岛），这实际上也

况明了增益与基区的输运因子有关。输运因诗经子衿原文及翻译拼音 子ａＢ＝Ｉ．ｃ／Ｉ．Ｅ，基区复合损失减小才可

使到达集电区的电流增大，增益提高。概括来讲，共发射极电流增益的提高，主

要依赖于注入比的提高和减少复合。

１．２．２ＨＢＴ的频率特性

１．２．２．１ＨＢＴ基本等效电路

图１．１０为ＨＢＴ的等效电路图。ＨＢＴ的高频特性可以由此图给出‘１０１。

基极岛ｃｋＧＣＲｃＲｃ集电极

发射极

图１．１０

ＨＢＴ的基本等效电路

双极晶体管在实际应用中不是一味追求增益无限大，而是在保证～定增益的

前提下提高其频率特性。增益ｐ是随频率变化的。在共发射极电路中，定义胪１

时的频率为电流增益截止频率＾，此时ＨＢＴ就没有电流放大作用了，但还有电压

放大作用，所以功率增益还是大于１。ＨＢＴ功率增益为１时的频率为最高振荡频

率向，此时表明在该频率下，输出功率全部反馈到了输入端以维持振荡，高于此

频率，ＨＢＴ无法再维持振荡。

截止频率ｆＴ可表示为

１／ｆｖ＝２ｒｃ（晚＋ｒＢ＋ｒｃ＋ｒｃｃ）（１－２９）

最大振荡频率ｆＭ可表示为

ｆＭ＝【疗／８棚ＢＣＢｃ】２（１—３０）

（１）发射极时削常数砸

碓２ｋＴ（ＣＢｚ＋ＣＢｃ）橱，ｃ随如的增加而减小。所以对于以高比工作的器件来说，

与其他时间常数相比，在对后的影响较小。在器件设计中，应降低放射极浓度以

减少发射极势垒电容ｃＢＥ。ＨＢＴ允许发射极浓度下降几个量极而不降低卢值，所

以『Ｅ能大大减少。

第一章异质结双极晶体管（ＨＢＴ）

（２）基区渡越时间印

ｒｉ３＝昨／２ＤＢ，％是基区厚度，咣是少子在基区的扩散系数。是制约＾的主

要时问参数。由于ＨＢＴ采用基区高掺杂，允许减薄基区宽度来降低诒；同时可采

用缓变基区和突变发射结能使电子渡越基区的速度大大增加，使得码得到明显改

善。

（３）集电区势垒区渡越时间ｒｃ

亿＝Ｘｍ。／２Ｖｓ，％。为集电结势垒区宽度，Ｋ为电子在势垒区内的平均速度。在

ＨＢＴ中，可以充分利用电子在集电结势垒区内的速度过冲效应来减少Ｔｃ。

（４）集电区时间常数ｆｃｃ

ｒｃｃ＝（且ＥＥ＋Ｒｃ）ＣＢｃ是由于发射区和集电区的寄生电阻引起的。对于ＨＢＴ来

说，由于其它时间常数较小，在高频工作时，ｒｃｃ将不可忽视。工艺上的主要措施

是降低集电区电阻率和面积来降低月ｃ和ｃＢｃ以及提高欧姆接触质量。

（５）基区电阻如

ＨＢＴ所引起的最主要的变革是大大增加了基区掺杂浓度，这种增加不受注入

效率的限制，仅受到工艺条件和保持基区少子寿命大于１０。１０ｓ的条件的限制，因

此其主要好处是减少了基区电阻，提高了工作速度，另外，基区电阻的减少也有

效地抑制了发射极电流集边效应，提高了大电流工作特性。在ＨＢＴ中，影响这种

优越性的因素是外基区电阻，因此应当发展自对准工艺及各种精细加工工艺以及

欧姆接触工艺来减少外基区电阻。

综上所述，ＨＢＴ的最大优点是在获得高电流增益的时候获得很好的频率特性，

这是其他晶体管所不能比拟的。

１．２．２．２两端口网络微波特性概述

在频率达到１００ＭＨｚ以上，Ｙ、Ｚ、ｈ等参量不能再简单地测出，因为通常不能

提供精确的短路或开路条件。为了表示微波性能，散射参数（ｓ参数）得到了广

泛的应用，这是由于散射参数与其它各种参数相比，易于进行高频测量。

两端口网络

图卜ｌｌ两端口网络

图卜１１是一般的两端口网络。其中的入射波（ａ。、ａ：）和反射波（ｂ．、ｂ。）是在

Ｓ参数的定义中用到的。描述两端口网络的线性方程为

第一章异质结双极晶体管（ＨＢＴ）

阱恿圳纠（１—３１）

式（１－３１）中，ｓ参数ｓ、ｓ船、ｓ，。和ｓ。。分别为：ｓ，．＝ｂ．／ａ．１。｝＝输出端接匹配

负载时的输入反射系数；

ｓ。。＝ｂ。／ａ：ｌ。，＝输入端接匹配负载时的输出反射系数；

ｓ。Ｉ＝ｂ：／ａ，ｋ．＝输出端接匹配负载时的正向传输增益；

ｓ．产ｂ。／ａ。ｋ产输入端接匹配负载时的反向传输增益。

我们知道，当传输线终端接有匹配负载，而使负载得到最大功率时，负载上

的电压、电流等于入射波的电压、电流。

１．２．２．３微波特性的测量仪器简介

对于微波器件和复杂的无源结构，为获得其网络参数，往往都必须进行测量。

有三种可用于测量网络参数的现代化测量装置：微波网络分析仪、六端口装置和

时域反射计。其中最成熟和功能最强的是第一种。这里主要介绍微波网络分析仪，

并结合应用于在片测试的微波探针。

微波网络分析仪是一种现代化的自动测试系统，它不仅功能多，而且具有以

多种方式给出结果和操作简便的特点。以８０年代的国际典型产品ＨＰ８５１０（Ｂ）为

例，在４５ＭＨｚ一１００ＧＨｚ的扫频测试范围内，其辐、相分辨率分别为０．５ｄＢ和ｌ。，

动态范围高达ｌＯＯｄＢ。它广泛用于工业生产中的元器件检验、宽频带多参量电路的

调试和整机的综合性能测试，以及科学研究中的精密测试和大量的数据处理工作，

对于微波集成电路的研究生产，其作用就显得更为突出。

图卜１２是网络分析仪测试晶体管Ｓ参数的方框图。

绘胤倥

图卜１２网络分析仪测试晶体管ｓ参数方框图

对于在片测试，则需要微波探针。通常所用的微波探针叫做ＲＦｃａｓｃａｄｅ

ｐｒｏｂｅ．

它的工作原理是这样的：如图ｌ＿１３所示。在图中是微波探针所需的测试图形，压

簿，◇僦婶

⑨第一章异质结般极晶体管（ＨＢＴ）

焊点的间距为ｉ００ｕＩｌｌ或１５０ｕｍ．左右两个探针分别有三个接触点。图卜１３可以看

出双端口网络测试时的接法。

１．３结构设计

图卜１３双端口网络测试连接示意图

ＨＢＴ的材料结构基础是异质结，也就是说，它是利用不同禁带宽度的材料组

合成发射结和集电结。为减少在界面处产生的位错、缺陷而导致载流子复合，不

同材料的晶格常数应尽量接近。此外，材料生长过程是一个高温过程，必须考虑

异质结材料的热膨胀系数的一致性。图１．１４给出了大部分ＩＩＩ—Ｖ半导体材料的禁

带宽度与晶格常数的关系。

图１．１４常见的ＩＩＩ—ｖ族半导体材料的能隙和晶格常数

ＨＢＴ发射结和集电结（重要的是发射结）材料的组合原则，还必须考虑不同

材料的禁带宽度之差△＆，导带和价带的带偏移他．和ＡＥｖ，材料迁移率的大小，

第一章异质结双极晶体管（ＨＢＴ）

表面复合速度和热导率等等。如果发射区采用三元系或四元系材料，其晶格常数

可通过调整合金组分来控制，同时其禁带宽度也发生了变化。

１．３．１发射区一基区异质结的设计

上面已经谈到渐变异质结，我们有（见图１－８）

ｑ（％。Ｋ）２△乓，

二笋０（２＝ｘｐ（Ａｅ．／ｋＴ）（１．３２）

』Ｐ

对于突变异质结来讲，ｑ（咋－Ｋ）＝△Ｅ，所以

，

二笋。ｃｅｘｐ（蝇／ｋｒ）（１．３３）

ｉＰ

对于一个理想突变的结构来讲口”，能带图上存在“尖峰和（能）谷”，窄带区

的能谷（势阱）将会收集发射区注入来的电子，对电子的进一步注入有抑制作用。

由式（１．３３）可知，理想的突变异质结，电流增益与价带的带偏移量ＡＥｚ呈指数关

系。在设计突变异质结双极晶体管时，要获得高增益，发射区和基区的材料组合

要有大的丝，。另外，△Ｂ大，器件就有了优良的高温特性。

缓变发射结组分渐变距离要适当［１…。渐变距离太短，导带上尖峰不能消除；

渐变距离太长，在正偏压下导带上会产生一个对电子起陷阱作用的场，降低了注

入效率。组分渐变若按抛物线规律，势垒尖峰消失得更平滑。

发射结附近实际存在着两个界面，一个是异质界面，另一个是ｐ－ｎ结界面，

理想情况是二者重合。对于突变异质结容易确定交界界面范围，渐变结则不易确

定。在材料生长过程中（或在其他高温过程中），若使用扩散系数较大的掺杂剂，

如Ｐ型掺杂剂Ｂｅ和ｚｎ，则ｐ－ｎ结界面容易位移到发射区之中【１３】，这相当于发射

区形成了一个同质ｐ－ｎ结，降低了注入比。为避免这种情况，可在异质结界面窄

带处一侧或两侧加入一非掺杂剂层，或者选择扩散系数更小的Ｐ型掺杂剂，如ｃ，

以防止在材料生长过程中Ｐ型掺杂剂拖尾到Ｎ型宽带材料区。

ＨＢＴ频率特性的提高，还依赖于减少发射结面积，减少发射区的掺杂浓度。

发射区掺杂浓度的减少，虽然使发射结电容降低了，但是增加了发射区电阻，因

此，要与发射区的厚度等结合起来考虑。

总之，对于发射结△耳大的ＨＢＴ，要设法实现理想的组分渐变，保证ＨＢＴ的

电流增益。对于突变结ＨＢＴ，选择大的ＡＥｖ的发射结材料组合。并且利用能带工

程设计ＨＢＴ，合理地调整掺杂浓度。

第一章异质结双极晶体管（ＨＢＴ）

１．３．２基区的设计

ＨＢＴ基区的设计，尤其对工作在微波频率波段的器件的设计更为关键，因为

它甫接地影响着疗和厂Ｍ的提高。下面我们主要分析载流予在基区的渡越时间和基

区体电阻对ＨＢＴ性能的影响。

由式（１．２９）和（１．３０）可知

ｆＴ与少子在基区的渡越时间龟有关。

ｒＢ＝ＷＢ２／２ＤＢ（１—３４）

ＤＢ为少子在基区的扩教系数。

ＤＢ＝／ｚｅｋＴ／ｑ

少子寿命可表示为

（１—３５）

ｒｅ＝／：０｛ＤＢ（１－３６）

要保证一定的增益，少子在基区的渡越时间一定要小于少子寿命（减少复合）。

少子寿命受载流子复合的限制，若基区中掺杂（１～５１０１８ｃｍ。３），当器件发射区边

缘被钝化时（降低表面复合），基区少子寿命也是足够高的，此时基区电流的主要

成分是发射结空间电荷区的复合电流。因此减少基区宽度（可减少渡越时间ｒＢ），

同时采用合适的基区掺杂（提高少子寿命）是对基区材料参数（几何尺寸和掺杂

浓度）设计必需考虑的两个因素。

ＨＢＴ应用于丌关电路，开关时间可表示为㈣

ｐｏ＝丢民ｅ＋譬＋（３ｃｃ＋ＣＬ）ＲＬ（１－３７）

－

儿＾

这里Ｒ为基区电阻，Ｃｃ为集电极电容，Ｒ和ｑ为负载电阻和电容。所以，

降低月。可以缩短开关时间。

基区采用二元系或多元系材料，调整合金组份使禁带宽度发生渐变，则构成

缓变基区ＨＢＴ，这也是当今ＨＢＴ设计的一大特点。如图１—１５所示，基区带隙Ｅ。。

的逐渐减小，在基区引入了一个附加电场，此电场能加速电子渡越基区，从而减

少了砘。

第～章异质结双极晶体管（ＨＢＴ）

图１一１５缓变基区ＨＢＴ的能带示意图

在一个设计得很好的ＨＢＴ中，阳通常只占整个传输时间的－－＋部分。因此，

ｊｃ寸于厚度一定的薄基区，缓变基区引入的自建场对工的贡献并不大。但对固定的

截止频率石，缓变基区的引入允许更厚一点的基区而不减少■，减少了基区电阻，

获得更好的￡。，【ｌｏ】。

在双异质结双极晶体管中，集电区采用比基区大的带隙材料，这样在ＣＢ鲒

处空穴势垒增加，基区的掺杂浓度可进一步提高。

１．３．３集电区的设计

集电区的厚度与载流子在集电区的渡越时Ｉ、自Ｊ有关，厚度增加，渡越时间加长，

同样￡将下降。集电区的渡越时间由下式表示：

ｆｒ＝∥ｊ／２ｖ，＋Ｃｆ（ＲＥ＋Ｒｆ）（１－３８）

式中欧为集电区厚度，ｖｓ为集电区中电子饱和速度，Ｃｔ为集电结电容，艇，

Ｒｃ为发射极和集电极电阻。

集电结电容的减少，最有效的办法是减少基区欧姆接触区面积和缩短发射极

接触到基极接触的间距，因此，在制作工艺中往往采用自对准工艺形成基区的欧

姆接触区。

为了保证一定的击穿电压和减少ｃｃ，收集区采用较低掺杂浓度。

为了消除单异质结双极晶体管（ＳＨＢＴ）中因异质Ｅ．Ｂ结和同质Ｂ．Ｃ结的内

建电压引起的开启电压以及ＳＨＢＴ源、漏电极不能互换的单向应用的缺点，集电

区也可以采用宽带隙材料，发射区和集电区保持相同的掺杂浓度，构成双异质结

双极晶体管（ＤＨＢＴ）。

在单突变结ＳＨＢＴ中，因为导带出现带偏移△Ｅｃ，对电子的注入起着阻挡和

⑨兰二兰墨垦笙婴曼竺笪一复合作用，当Ｂ－Ｃ结也是突变结构时，注入至Ｈ基区的电子在两个△』１ｃ组成的势阱

中多次碰撞中可能被复合掉。因此，Ｂ－Ｃ结要做成组份缓变。也可在基区和集电

区之间加入一层带隙介入基区和集电区带隙之间的材料，呈台阶梯度，同样可起

到消除“尖峰”的作用。

１．４材料与器件结构

图１．１６ＨＢＴ的材料与结构

图１．１６是ＨＢＴ材料与结构的体系图，主要包括ＧａＡｓ基和ＩｎＰ基两大类。主

要的材料系统带隙和带偏移如表１．１。ＡＥｃ小可降低晶体管ＥＢ结的开启电压，并

因此获得较低的电源电压，降低功耗；△Ｅｖ较大，有利于阻止空穴反注入到发射

极中，这样就能利用提高基极掺杂浓度的方法来实现较低的基极电阻。Ａ１ＧａＡｓ和

ＩｎＡｌＡｓ做发射极时，在晶体管设计中有更大的灵活性。但ＩｎＧａＰ和ＩｎＰ做发射极

时，可实现器件制作中的选择腐蚀。

Ａ１０

４８Ｉｎ０ｓ２Ａｓ／

ＩｎＰ／

Ａ１０３Ｇａｏ７Ａｓ／ｈ４９Ｇａｏｓ１Ｐ／

Ｉｎｏｓ３Ｇａｏ４７Ａｓ

Ｉｎｏ

５３Ｇａｏ

４７Ａｓ

ＧａＡｓＧａＡｓ

Ｅｇｅ（ｅＶ）

１．４８１．３５１，８６１．９０

Ｅｇｂ（ｅＶ）

Ｏ．７６０，７６１．４３１．４３

△Ｅｃ（ｅＶ）０．４８

０．２５０．２８Ｏ．１９～Ｏ．２

△Ｅｖ（ｅＶ）Ｏ．２４０．３４０．１５０．２４～０．３

表１－１几种异质结系统的带隙和带偏移

第一章异质结双极晶体管（ＨＢＴ）

目前ＨＢＴ从材料体系上分为ＧａＡｓ基ＨＢＴ、ＩｎＰ基ＨＢＴ、ＧａＮ基ＨＢＴ、Ｓｉ

基ＨＢＴｌ

７５１ｆ１６”【Ｊ８】［１９１１２０１ｆ２１］ｆ２２】ｆ２３】，从结构上除了单异质结ＨＢＴ和双异质结ＨＢＴ外

还有倒置ＨＢＴ（Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ－ｕｐ

ＨＢＴ）。

１．４．１单异质结双极晶体管（ＳＨＢＴ）

最常见的是具有单异质结结构的ＨＢＴ，在半绝缘衬底上采用使用固源ＭＢＥ

生长外延层，Ｓｉ和Ｂｅ分别用作Ｎ型和Ｐ型掺杂剂。用标准的光刻和选择湿法腐

蚀技术制作台面结构的器件。各外延层的典型参数示例于表ｌ一２中（以

ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ系统为例），在发射区与基区间设置了一薄层组分缓变的过渡层，目

的是为了减小异质结外能带尖峰的影响；这种结构的ＨＢＴ，其截止频率已超过

１００ＧＨｚ。

层序厚度（ｕｒｎ）掺杂类型掺杂深度Ａ１／Ａｓ成分比说明

８０．０７５Ｎ＋１ｅ１９０顶层

７０．１２５Ｎ５ｅ１７０顶层

６Ｏ．０３Ｎ５ｅ１７

０－０．３缓变层

５Ｏ２２Ｎ５ｅ１７

０．３发射区

４Ｏ．０３Ｎ５ｅ１７Ｏ．３～０缓变层

３Ｏ．１０ｐ＋３ｅ１８０基区

２０．７０Ｎ．３ｅ１６０集电区

１Ｏ．６０Ｎ＋４ｅ１８

Ｏ集电极接触层

衬底半绝缘未掺杂

表１．２

ＳＨＢＴ的外延结构

１．４．２双异质结双极晶体管（ＤＨＢＴ）

在单异质结ＨＢＴ中，Ｅ—Ｂ异质结的内建电压与Ｂ—Ｃ同质结的内建电压的大小

显然不相等，这就在其直流输出特性上造成约Ｏ．２伏的开启电压Ｖ。ＩＴｓ。ｔ。当ＨＢＴ

用作开关器件时，由于这个开启电压的影响，将使饱和压降增大，引入不必要的

功耗。为了减小这个开启电压，有必要把Ｂ．Ｃ结也做成异质结，这就构成了所谓

的ＤＨＢＴ。

第一章异质结礅极晶体管ｃＨＢＴ）

１．４．３倒置ＨＩｌＴ

一般ＨＢＴ的发射极总是在上、而集电极总是在下，但倒置ＨＢＴ的发射极却

位于下部，而集电极位于上部。

这种倒黄ＨＢＴ的优点是：由于采用了相当小的集电结面积，因而它的集电结

电容就相应减小，对晶体管的高速性能有明显改善；发射极做在下部，就不需要

长的引线来引出发射极，则降低了发射极引线电感，改善了高频性能。

倒置ＨＢＴ的工艺与普通的晶体管基本相同，即首先在Ｐ／Ｎ衬底上生长Ｎ型

轻掺杂的顶层，然后用离子注入或扩散方法，将集电区以外的部分转化为重掺杂

的Ｐ＋区，最后，将集电区内的表面部分再转化为Ｎ＋区。当然，用该工艺制作的

器件，由于集电区高掺杂，会给器件性能带来若干影响，而且工艺上也有若干不

便之处。

通常Ｃ．ｕＤＨＢＴ采用Ａｃｔｉｖｅ

Ｐａｃｋａｇｅ（ＡＰ）进行上下两边引线的封装形式，这

种封装的ＩｎＰ

Ｃ—ｕｐ

ＨＢＴ的ｆＴ可达到３００ＧＨｚ～４００ＧＨｚ。

ＨＢＴ不仅是一种有前途的超高频、超高速和大功率的分立器件，而且也是一

种有希望的超高速集成电路元件。因为ＨＢＴ的性能主要不是由横向尺寸来决定，

而是决定于纵向尺寸，即各层的厚度，这就比较容易把尺寸精度控制在５０—１００ｎｍ

范围内，从而器件性能不会因光刻技术等问题而受影响，这将有利于集成。此外，

因为双极晶体管的阈值电压（在一定集电极电流时Ｅ—Ｂ间的电位差）与基区的宽

度和掺杂深度仅有对数关系（而ＭＥＳＦＥＴ的ＶＴ值与有源区的掺杂深度和尺寸有

线性关系，则在工艺上较易于控制阂值电压的均匀性（分散性可减小到数毫伏），

这对制造复杂的数字集成电路是有利的。

１．５ＨＢＴ的制作工艺

以ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ单异质结ＨＢＴ为例，图ｌ—１７给出了台面结构的ＨＢＴ管芯剖

面示意图。

⑧第一章异质结双极晶体管（ＨＢＴ）

发射联接触

图１－１７采用自对准技术制作的ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ剖面图

发射区和集电区的接触区均为高掺杂的ｎ＋型ＧａＡｓ，其欧姆接触金属采用

Ａｕ－Ｇｅ—Ｎｉ，基区为ｐ＋一ＧａＡｓ，选用Ａｕ－Ｚｎ作欧姆接触。如果不考虑小尺寸的要求，

制作工艺上的难点集中在以下几个方面：

１．对发射区台面的腐蚀要求有准确的精度控制。因为基区的厚度是有限的，

过腐蚀会造成欧姆接触金属做到收集区上。若剩余基区厚度太薄，在金属化的过

程中有可能与集电区连通，造成Ｂ，ｃ短路。因此，腐蚀终点的控制是非常重要

的：

２．为了减少发射区、基区暴露外表面产生的复合电流，应对其作钝化保护：

３．缩短发射区到基区电极之间的距离也是必要的（减少复合和减少基区串联

电阻），在工艺上往往采用基区自对准工艺。钝化层可采用ＳｉＮＯ，用ＰＥＣＶＤ淀

积。基区自对准，要求发射区台面形成倒台结构，基区的厚度也要控制，否则将

造成ＥＢ结短路。

１．６ＨＢＴ的器件模拟

器件模拟通常指二维器件模拟或者数值模拟，其定义为：在给定材料成分、

物理结构和掺杂分布条件下，用计算机求解半导体器件的基本方程和其它有关方

程得到器件结构中静电势、电子浓度、空穴浓度与空间和时间关系，并在此基础

ｔ获得不同偏压下和不同时间下器件的伏安特性和各种器件参数。

在二维器件模拟方面国内可以见到的有ＰＩＳＣＥＳ、ＭＥＤＩＣＩ、ＳＩＬＶＡＣＯ等程序。

模拟时输入的信息应包括器件结构、材料成分、掺杂分布和外加电压。掺杂分布

町以由解析表达式来确定，也可以将工艺模拟得到的内部掺杂文件直接用于输入。

输出结果包括稳态解和瞬态解，也可以是交流小信号分析等，输出的图形可以有

静电势、载流子浓度、电场强度和电流密度的等值分布等。器件模拟的重要意义

第一章异质结双极晶体管（ＨＢＴ）

在于可以缩短研制周期和节约研制经费，有些不易测量的参数甚至无法测量的参

数都可以模拟出来，使不十分精通计算的人仍可以完成精确设计。对已研制出的

器件再进行模拟也有意义，可以进行深入的理论研究；有些器件的物理模型并不

是十分清晰，器件模拟程序可以反映器件的真实性。

本研究采用ＳＩＬＶＡＣＯ公司的ＡＴＬＡＳ器件模拟软件，在清华大学微电子所的

ＳＵＮ工作站上运行。下面就以ＡＴＬＡＳ为例进行介绍。

１．６．１模拟工具

黯Ｓ－－ＰＩＳＣＥ模拟硅器件；

饕ＢＬＡＺＥ模拟化合物半导体（包括ＩＩ—ｖＩ，ＩＩＩ．ｖ材料）和异质结

器件：

黯ＧＩＧＡ增加非等温计算的能力，包括晶格热效应和热沉积效应；

扰ＴＦＴ提供基于多晶硅和非晶硅材料的器件模拟

端ＬＵＳＭＩＮＯＵＳ模拟光电器件；

扰ＬＡＳＥＲ模拟异质结激光器；

毵ＭＩＸＥＤＭＯＤＥ提供电路模拟；

糯ＤＥＶＩＣＥ３Ｄ提供三维器件模拟；

糯ＩＮＴＥＲＣＯＮＮＥＣＴ３Ｄ提供三维寄生效应的模拟；

挑ＴＨＥＲＭＡＬ３Ｄ提供三维热分析；

１．６．２复合系列模型

ＡＴＬＡＳ提供了一系列的复合物理模型

黯直流、交流小信号和全时依赖

端费米一狄拉克和波尔兹曼统计函数

糯漂移一扩散传输模型

端能带平衡传输模型

冀先进的迁移模型

端品格加热和热沉

饕缓变和突变异质结

扰重掺杂效应

扰非晶和多晶的材料

糯欧姆、肖特基和绝缘接触

端ＳＲＨ、辐射、Ａｕｇｅｒ和表面复合

⑧第～章异质结双极晶体管（ＨＢＴ）

糯碰撞电离

冀带与带之间和Ｆｏｗｌｅｒ－－Ｎｏｒｄｈｅｉｍ隧穿

鬻热载流子注入

糯热电子电流

器浮栅

冀通用跟踪射线的光电作用

冀模拟发射和辐射

冀通用电路环境

器件模拟的数值计算基于半导体器件的基本方程，半导体器件中的载流子输

运过程可由泊松方程和电子、空穴连续性方程来描述。模拟程序的基本功能是自

动地解这几个微分方程。为了求得数值解，首先要对偏微分方程进行空间和时间

的离散化，把空间的离散化看作是在有限的求解空间中布上网格，然后用有限差

分法将微分方程转换成差分方程。在二维器件模拟程序中，最常用的网格有两种：

矩形和三角形。矩形网格中最典型的是变步长差分网格，这种网格简单、规则性

强，由于可以变步长，网格的效率有所改善，但在处理非平面边界时这种网格会

遇到较大困难。三角形网格则能克服这些缺点，可很方便地处理各种平面问题。

１．７国内外ＧａＡｓ基ＨＢＴ的发展现状

目前，主要有ＯｅＳｉ，ＧａＡｓ和ＩｎＰ三种材体系用于ＨＢＴ的制备。这三种材料

体系均可应用于微波和毫米波领域。就频率特性而言，从低到高的排列是ＧｅＳｉ体

系、ＧａＡｓ体系和ＩｎＰ体系，就其制造成本从低到高依次为ＧｅＳｉ体系、ＧａＡｓ体系

和ＩｎＰ体系。器件所用的材料和结构决定了其所能达到的最高频率，在材料和结

构选定后，从工艺上可以采取以下措施减少寄生电容以提高频率特性：（１）采用

自对准工艺；（２）离子注入外基区下的集电区；（３）把Ｓｉ０２和多晶ＧａＡｓ埋入外

基区下的收集区；（４）微空气桥连接；（５）氮化硅平面化：（６）用选择腐蚀的方

法去掉部分外基区下的收集区；（７）用聚酰亚胺平面化过程来减少ＣＢｃ【２…．

ＧａＡｓ体系高可靠性及相对成熟的工艺，使得它在微波及毫米波领域有着广泛

的应用前景。目前，研究最多和市场应用最广泛的仍然是ＧａＡｓＨＢＴ及其相关的

电路。

由于各组分的ＡｌｘＧａｌ囊ｓ材料均能与ＧａＡｓ材料实现晶格匹配，因此，最初

ＧａＡｓＨＢＴ的发射区采用ＡｌｘＧａｌ。Ａｓ材料。但Ａ１很容易形成深能级复合中心，使

器件的性能尤其是可靠性下降。目前的发展趋势是用Ｉｎｏ４８Ｇａｏ５２Ｐ（以后简称ＩｎＧａＰ）

材料代替ＡＩＧａＡｓ材料作ＧａＬＡ＿ｓ基ＨＢＴ的发射区。它比ＡＩＧａＡｓ发射区结构有更

⑧第一章异质绐敏极晶体管（ＨＢＴ）

优越的直流和射频特性，在微波功率放大器、高速数／模、模／数转换器和高速光通

讯电路中有着广泛的应用前景。

在更高频率应用时就必须采用ＩｎＰ基ＨＢＴ结构，但ｌｎＰ材料昂贵并且易碎，

非常不利于大规模，批量化生产。生长在ＧａＡｓ衬底上的ＧａＡｓＳｂＨＢＴ结构可以

克服这个缺点。它不仅降低了材料的成本，克服了ｈａｐ材料易碎的缺点，使之适

应于现代化大批量生产，而且得到ＩｍＰ

ＨＢＴ的高频、低功耗等优点，尽管目前

ＧａＡｓＳｂＨＢＴ的放大特性和频率特性比常规结构有所下降，但随着ＧａＡｓＳｂＨＢＴ

材料生长技术的不但完善，其性能的突破是完全可能的。所以，ＧａＡｓＳｂＨＢＴ是

一个非常值得研究的方向。

本文选择的研究对象是ＧａＡｓ基ＨＢＴ的材料和器件，首先对Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ这一成熟体系材料的生长和器件进行了研究；在此基础上，重点是利用引进

新型固态Ｐ源一分解ＧａＰ产生Ｐ源，研究了ＩｎＧａＰ外延层的分子束外延生长和物

性，并对它应用到ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ这一当今ＧａＡｓ基ＨＢＴ的主流进行了研究；

最后，我们还对ＧａＡｓＳｂ

ＨＢＴ古文观止电子版 材料生长和器件这一新的研究方向进行了初步研究。

近年来，ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系统有取代Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓ系统的趋势，正在成为研究的

热点。不仅限于ＨＢＴ【２５】，还包括激光器、ＨＥＭＴ和ＭＥＳＦＥＴ。器件工艺中ＧａＡｓ

用腐蚀液为Ｈ２８０４系、Ｈ３Ｐ０４系或柠檬酸系，ＩｎＧａＰ的腐蚀液为稀ＨＣＬ或ＨＣＬ：

Ｈ３Ｐ０４－－１：ｌ。

目前主要工业用Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ的生长手段为ＭＯＣＶＤ和

ＧＳＭＢＥ，并使用Ｃ做为掺杂剂。因为Ｃ比Ｂｅ的扩散系数小，使用Ｃ做掺杂剂的

ＨＢＴ的可靠性高。但存在着ｃ．Ｈ复合体引起器件退化的问题：使用固源ＭＢＥ

（ＳＳＭＢＥ）生长中Ｂｅ的扩散问题可通过设置阻挡层、尽可能低温生长以及器件

工艺中减少热退火的工艺来实现，防止Ｅ。Ｂ结的漂移。

目前ＳＳＭＢＥ中的Ｐ源主要使用红磷，关于化合物磷源的早期研究在１９８６年

［２６１，最近国外Ｍ［２８１１２９１开始使用化合物磷源（ＧａＰ），ＧａＰ源正在成为研究的热点，

原因是：

／无毒；（对比ＭＯＣＶＤ的ＰＨ３有毒）

ｖ／产生Ｐ２不需要复杂的设备高温裂解；（对比红磷做磷源）

／可生长大直径均匀性好的ＧａＡｓ外延片和提高每批的产量。（对比

ＭＯＣＶＤ）

国内目前已开展了气源ＭＢＥ生长ＨＢＴ的研列３０Ｊ，并已取得了初步的实验室

结果。本论文对固源ＭＢＥ生长ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ的研究工作在国内尚属首次，将

会促进我国分子束外延技术生长ＨＢＴ外延片发展。

第二章Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ外延材料与器件

２．１简介

第二章ｈｌＧａｈｓ／ＧａｈｓＨＢＴ外延材料与器件

ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ外延材料是最早发展起来的材料体系，目前国外已经产

业化，国内研究还不太成熟，没有走向产业化。由于Ａ１ＧａＡｓ与ＧａＡｓ的匹配度

高，在ＨＢＴ发射结和集电结、发射区和集电区都可以灵活地进行设计，本文着

重对突变发射结和缓变发射结的两种ＨＢＴ材料和器件进行了研究。

由于ＨＢＴ实际生长中，不可避免要发生某种程度的Ｂｅ扩散，引起发射极一

基极结的漂移，为防止这种现象的发生，采用在基极两侧插入不掺杂层的方法。

同时Ｂｅ的扩散程度受次北固山下赏析50字 温度的影响很大，衬底温度降低虽然可以有效的抑制Ｂｅ

扩散，但会发生基区以及发射区层的晶体质量下降。通过器件制作发现，增大基

区生长时Ｖ／ＩＩＩ束流比、适当降低基区生长时的衬底温度、插入ｓｐａｃｅｒ层可以有

效的抑制Ｂｅ扩散，改善器件直流特性。通过对各种条件的优化，我们生长了

ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ突变结及缓变结的ＨＢＴ，并制作了大面积器件以测试其直流特性。

采甩Ｌｅｈｉｇｈｔｏｎ薄层电阻测试仪测试了ＨＢＴ的均匀性，使用ＰＮ４４００型化学Ｃ．ｖ

测试仪对外延层载流子分布进行了测试，以下是一些主要的实验结果及分析：

２．２ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ突变结ＨＢＴ

２．２．１生长ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ突变结ＨＢＴ的材料结构

如表２－１所示

ＨＢＴ

Ｅｐｉ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ＬａｙｅｒＭａｔｅｒｉａｌ

Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ

Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ

ＤｏｐｉｎｇＴｙｐｅＤｏｐａｎｔ

Ｎｏ

ｔｙｐｅ

（ｘ）（ｎｎｌ）Ｌｅｖｅｌ

９ＧａＩｎ（ｘ）Ａｓ

Ｘ＝０．５５０１ｅ１９ｎ＋Ｓｉ

８ＧａＩｎ（ｘ）ＡｓＸ＝Ｏ—Ｏ．５５０ｌｅｌ９ｎ＋Ｓｉ

７ＧａＡｓ１００

５ｅ１８ｎ＋Ｓｉ

６Ａｌ（ｘ）ＧａＡｓＸ＝０，２５６０３ｅ１７ｎＳｉ

５ＧａＡｓ

５

Ｕｎｄｏｐｅｄ

⑧第二章ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ外延材料与器件

４ＧａＡｓ

８０２ｅ１９

ｐ＋

Ｂｅ

３ＧａＡｓ５

Ｕｎｄｏｐｃｄ

２ＧａＡｓ

５００

２ｅ１６ｒｌ－Ｓｉ

１ＧａＡｓ明月几时有抒发了什么感情 ８００５ｅ１８ｎ＋Ｓｉ

ＳＩ，Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ

表２－１突变结Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ的材料结构表

这是典型的突变结ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ的材料结构，在基区两侧加入５ｒｔｒｎ的

不掺杂层防止Ｂｅ扩散。在半绝缘ＧａＡｓ（１００）衬底上生长外延层，脱氧化膜温

度为５８０。Ｃ，生长室真空度４１０‘。ｒｏｒｒ。生长基区时的衬底温度为５５０℃，Ｖ／

ＩＩＩ束流比为３０。

２．２．２ＨＢＴ的载流子纵向浓度分布

ｐ

—‘目４＿’。１ｑ～Ｉ

‘

科士

厂～’…

ｌ

晕

：ｌ一｛．羔！｛．ｉ

ｒｉ

ＤＥｐｌｈ㈣

图２一ｌＰＮ＇Ｎ＋结构载流子浓度分布

由于化学Ｃ—Ｖ本身的测试精度问题，我们首先生长了同ＨＢＴ基区和集电区

类似的ＰＮ—Ｎ＋结构，结果如图２一ｌ，通过降低生长温度、增大Ｖ／Ｉ／Ｉ束流比及基区

侧生长不掺杂的隔离层，在界面处没有发生明显的Ｂｅ扩散。

⑧第二章ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ外延材料与器件

２．２．３低温荧光检测ＨＢＴ材料质量

９０００

８０００

ｉ

７０００

墨

嚣

歪５０００

．三

裂

５０００

４０００

１４０１４５１５０１５５

１６０

１

６５１７０１７５１８０

１８５１９０

Ｐｈｏｔｏｎ

ｅｎｅｒｇｙ／ｅｖ

图２－２ＭＢＥ生长Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ的低温荧光谱（１５Ｋ）

对ＨＢＴ外延片进行了低温（１５Ｋ）荧光测试，在１．４￣２．０ｅＶ测试范围内的低

温荧光谱见图２．２。其中在１，４～１．６ｅＶ的ＧａＡｓ范围内有三个峰，分别为１．４８１ｅＶ、

１．５０９ｅＶ、１．５５ｅＶ，１．６～１．８ｅＶ的ＡＩＧａＡｓ范围内有两个峰，分别为１．８２６ｅＶ和

１８４８ｅＶ。和文献川的报导的结果有很大的一致性【３２】，其中１．４８１ｅＶ对应Ｂｅ掺

杂基区的荧光峰，根据文献报掣３３］Ｅｐ＝１．５３—４．１Ｘ１０’６Ｐ０２”，估算出基区空穴浓度

约为ｌ１０１９ｃｍ－３，与霍尔和Ｃ，Ｖ测试相比，有一定的误差。由轻掺杂的集电区

能带之间的跃迁引起１．５０９ｅＶ的荧光峰。对重掺杂的Ｎ型集成区，由于电子密

度的增加，费米能级上升的趋势大于由电子有效质量降低引起的带隙变小趋势，

所以导致峰位向高能方向移动，为１．５５ｅＶ。

在Ａ１ＧａＡｓ的范围内，有两个峰，其中１．８４６ｅＶ是Ａ１０２５ＧａＡｓ发射极（掺杂

为３１０”ｃｍ。）带带跃迁的荧光峰；我们认为１．８２６ｅＶ是在材料生长过程中外

扩散到ＡＩＧａＡｓ层中的Ｂｅ造成的，ＰＬ峰的红移是由于Ｂｅ重掺杂引起带隙变窄

效应导致的。

⑧第二章Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ外延材料与器件

２．２．４器件的直流特性测试与分析

采用常规的台西工艺，传统的湿法刻蚀（版图见附录一），制作了大面积的

ＨＢＴ（因为大面积管芯的基区复合效应不明显）。用光刻胶作为抗蚀剂，制作的

发射极台面面积为７５７５ｐ．ｍ２，采用腐蚀液为ｎ２ｓ０４：Ｈ２０２；ｎ２０（１：１：８０）。电

极欧姆接触采用金属热蒸发，基区为Ｚｎ／Ａｕ，发射极和集电极使用Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ。

主要工艺步骤如下：

Ｉ）常规清洗；

２）第一次光刻；（用１＃版，发射极光刻）

３）蒸发射极电极；

４）第一次金属剥离；

５）以Ｅ极ＡｕＧｅＮｉ保护腐蚀到基区；

６）第二次光刻（用２＃版，基极光刻）；

７）蒸基极电极；

８）第二次金属剥离；

９）第三次光刻（用３＃版，小台光刻）；

１０）光刻胶保护腐蚀小台面；

１１）第四次光刻（用４＃版，集电极光刻）；

１２）蒸集电极电极；

１３）第三次金属剥离。

器件的直流特性为：１３。４０—５０，Ｖｏｆｆｓｅｔ＜０．３Ｖ，ＥＢ、ＢＣ结的反向击穿电压

分别为８Ｖ和１５Ｖ；器件的输出特性见图２—３。可以看出制作的ＨＢＴ具有较好的

线性度、饱和压降较小，但漏电流较大。

⑧第二章ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ外延材料与器件

图２－３突变结ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ输出特性

２．３ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ缓变结ＨＢＴ

２．３．１生长ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ缓变结ＨＢＴ的材料结构

如表２．２所示。

ＨＢＴ

Ｅｐｉ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ＬａｙｅｒＭａｔｅｒｉａＩ

Ｃｏｍｐｏｓｉｔ－ｉｏｎ

Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ

ＤｏｐｉｎｇＴｙｐｅＤｏｐａｎｔ

Ｎｏ

ｔｙｐｅ

（Ｘ）（衄）Ｌｅｖｅｌ

９Ｇａｌｎ（Ｘ）Ａｓ

Ｘ＝Ｏ．５５０

１ｅ１９ｎ＋Ｓｉ

８Ｇａ／ｎ（ｘ）ＡｓＸ＝０－０．５５０１ｅ１９ｎ＋Ｓｉ

７ＧａＡｓｌＯＯ５ｅ１８ｎ＋Ｓｉ

ＡＩ（ｘ）ＧａＡｓ

Ｘ＝Ｏ．２５—旬

３０３ｅ１７ｎＳｉ

６Ａ１（ｘ）ＧａＡｓＸ＝０．２５６０

３ｅ１７ｎＳｉ

Ａｌ（ｘ）ＧａＡＳＸ＝Ｏ～Ｏ．２５３０

３ｅ１７ｎＳｉ

５

ＧａＡｓ

５

Ｕｎｄｏｐｅｄ

４ＧｎＳ８０５ｅ１９

ｐ＋

Ｂｅ

３ＧａＡｓ

５

Ｕｎｄｏｐｅｄ

２ＧａＡｓ５００

２ｅ１６ｎ－Ｓｉ

１ＧａＡｓ８００５ｅ１８ｎ＋Ｓｉ

Ｓ．Ｉ．Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ

表２－２缓变结ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ的材料结构表

缓变结ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ材料结构的发射区包括两层Ａ１组分从Ｏ～Ｏ．２５、

０．２５－０的缓变层，基区宽度为８０ｎｍ，主要生长条件和突变结ＨＢＴ外延层一样，

在生长ＡＩＧａＡｓ缓变层时，Ａｌ炉的温度从１０８０。Ｃ～１１６１℃和１１６１℃～１０８０。Ｃ渐变。

２．３．２器件直流特性测试与分析

采用常规的台面工艺，传统的湿法刻蚀，制作了大面积的ＨＢＴ（因为大砥

积管芯的基区复合效应不明显）。用光刻胶作为抗蚀剂，制作的发射极台面面积

为７５７５ｐｍ２，采用腐蚀液为Ｈ２ｓ０４：Ｈ２０２：Ｈ２０（１：１：８０）。电极欧姆接触采用

第二章ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ外延材料与器件

金属热蒸发，基区为Ｚｎ／Ａｕ，发射极和集电极使用Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ。陪片用化学Ｃ—Ｖ

测试控制腐蚀过程，以保证腐蚀深度的精确性。

ｖｅｅ：１ｖｌｃｌｉｖ，ｌｂ：５０ｕ／Ｌｔｓｔｅｐ

图２－４缓变结ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ的输出特性

器件的直流特性为：１３—９０～１００，Ｖｏｆｆｓｅｔ＜０．３Ｖ，ＥＢ、ＢＣ结的反向击穿电

压分别为８Ｖ和１５Ｖ；器件的输出特性见图２—４。可以看出制作的ＨＢＴ具有较好

的线性度、饱和压降较小，但漏电流较大。

２．３．３频率特性测试

为了进～步对ＨＢＴ的频率特性进行测试，我们更改了原来的器件版图，相

应的工艺流程也进行了改动。工艺流程主要增加了以下几个步骤：

（接原来的器件工艺）

１４）第五次光刻（用５＃版，集电极大台光刻）；

１５）保护台面腐蚀到半绝缘衬底；

１６）ＰＥＣＶＤ淀积Ｓ１０２２６００Ａ；

１７）第六次光刻（用６＃版，光刻引线孔）；

１８）等离子刻蚀（或用ＨＦ腐蚀）Ｓｉ０２至合金层：

１９）第七次光刻（用７撑版，光刻引线）；

２０）蒸引线金属；

２１）第四次金属剥离。

ＨＢＴ制作完成后，我们用网络分析仪ＨＰ８５１０（Ｂ）对其进行测试，得到如

图２—５所示的频率响应曲线。由此可以看出，我们制作的ＨＢＴ的最高截止频率

达到２．５ＧＨｚ以上。

，《￡巾Ｕ一

第二章ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ外延材料与器件

Ｐ１。ｔ

ｂＪ弋一ｆｔｔ－Ｆ＇ｔ／日。ｄ。／ｈ己Ｉ—Ｖｂ母

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图２－５缓变结Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ的频率特性

２．３．４采用Ｌｅｈｉｇｈｔｏｎ薄层电阻测试仪测试ＨＢＴ均匀性

采用Ｌｅｈｉｇｈｔｏｎ薄层电阻测试仪我们测试了所生Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ薄层电

阻的均匀性，可以看出外延片的不均匀小于Ｏ．９％（图２．６）。

⑧第二章ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ外延材料与器件

Ｌｅｈｉｑｈｔｏｎ

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｚｎｃ＿．

ｇｔａｔｉｓｔｌｃａｌＳｕ皿皿－ｒＹ

ＬｌｍｂｅＤｆＴｅｓｔ

ｂ

ｂ

＾ｖｏｒａａｅＶａｌｕｅ

７．ｄ５Ｅ４Ｍ㈣ｍｌ】ｍＶａｌｕｅ

’．５５０７

ＭｉｎｌｍｕｍＶａｌｕｅ

，３０４９

ｓａｍｐｌｅ

Ｓｐ：ｅａｄ（ｅ）

３．３６

ｓｔｄＶａｌｕｅ

０．０６６９

Ｗａｆｅｒ

ｕｎｉｆｏｒｍｌｔｖＶａｌｕｏ（％）

９

图２－６缓变结ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ薄层电阻测试结果

２．３．５器件模拟

我们用ＳＩＬＶＡＣＯ公司的ＡＴＬＡＳ器件模拟软件对ＨＢＴ不同基区掺杂情况下

的直流特性进行了模拟。

２．３．５＿１基区掺杂１１０伯／ｅｒａ一：

器件模拟的程序见附录二，模拟结果如图２．７所示。

第二章ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ外延材料与器件

图２—７基区掺杂为１Ｘ１０１９／ｃｍ。器件模拟结果

将此结果与实际器件的输出特性（如图２．４）进行比较，可以发现模拟结果

较实际器件漏电流小，但饱和压降较大。同时模拟结果显示出轻微的负阻现象，

这是由于大电流效应引起的。

２．３．５．２基区掺杂１Ｘ１０１８『ｃｍ‘３：

器件模拟的程序见附录三，模拟结果如图２－８所示。

第一二章ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ外延材料与器件

图２培基区掺杂为１Ｘ１０１８／ｃｍ‘３器件模拟结果

由上面的结果可以看出，掺杂浓度对ＨＢＴＩ－Ｖ特性的影响：

随着掺杂浓度的增加，开启电压略有减小，放大倍数１３降低，出现这些现象

可能的原因是：掺杂浓度大的时候，串联电阻变小，但载流子渡过基区时的复合

效应有所增加，造成Ｄ降低。另外，我们还注意到随着掺杂浓度的增加，ＨＢＴ

的负阻效应变碍不太明显。

２．４小结

由于Ａ１ＧａＡｓ与ＧａＡｓ晶格常数匹配，材料生长和器件制备都比较成熟，研

究ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ可为其他新型ＨＢＴ材料研究奠定基础。本章设计了突变结

和缓变结Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ，优化了基区的生长条件，综合考虑Ｂｅ的扩散和基

区的晶体质量，基区的生长条件为Ｖ／ＩＩＩ＝３０，生长温度比ＧａＡｓ脱膜温度低３０。Ｃ

比较合适。

制备的大面积的ＨＢＴ器件测试了直流特性：Ｂ≈９０～１００，Ｖｏｆｆｓｅｔ＜０．３Ｖ，ＥＢ、

ＢＣ结的反向击穿电压分别为８Ｖ和１５Ｖ；输出特性具有较好的线性响应；

Ｌｅｈｉｇｈｔｏｎ薄层电阻测试仪的测试显示其具有很好的均匀性。

第三章ｌｎＧａＰ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ外延材料与器件

３．１简介

第三章ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ外延材料与器件

由于Ａ１非常活泼，易氧化，很容易形成深能级复合中心（ＤＸ中心），

Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓ异质结表面和界面复合速度高，持续光电导效应强，使器件的性能

尤其是可靠性降低，而且Ａ１ＧａＡｓ和ＧａＡｓ的选择腐蚀比小，给器件的制作带来

困难，也因此限制了器件性能的提高。所以目前ＧａＡｓ基ＨＢＴ材料的发展趋势

是用ＩｎＧａＰ材料代替ＡｌＯａＡｓ材料作ＧａＡｓ

ＨＢＴ的发射区。它比ＡＩＧａＡｓ发射区

结构有更优越的直流和射频特性，在微波功率放大器、高速数／模、模／数转换器

和高速光通讯电路中有着广泛的应用前景。

３．１．１ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ材料的优点

同ＡＩＧａＡｓ相比，用ＩｎＧａＰ作ＨＢＴ的发射区在材料性能和器件制作上有如

下一些独特的优点［３４】。

（１）材料质量

因为Ａｌ非常活泼，当Ａ１ＧａＡｓ暴露在空气中，即使高真空环境下，Ａ１ＧａＡｓ

都会不同程度的耦合环境的杂质。杂质不仅来自生长室，也来自源材料。杂质产

生载流子陷阱，诱发载流子复合，最终降低ＨＢＴ的电流增益。除了与杂质有关

的陷阱外，Ａ１ＧａＡｓ材料容易形成与施主相关的深能级中心，即所谓的ＤＸ中心

【３５１，尤其当Ａｌ组分高于０－３时显得更为严重。ＤＸ中心普遍被认为是产生

ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴｓ低频噪音的主要来源Ｉｊ“。相比之下，Ｉｎ由于比Ａｌ活泼性差，

ＩｎＧａＰ外延层不容易耦合杂质，几乎不存在ＤＸ中心彤Ｊ。ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴｓ材料

的缺陷密度比Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴｓ少得多，在相对低的收集极电流下，表现出更

高的电流增益和更低的ｌ／厂噪音。

（２）能带排列

ＩｎＧａＰ同ＧａＡｓ匹配的组分是Ｉｎｏ４８Ｇａｏ

５２Ｐ，室温时ＩｎＧａＰ的带隙为１．９ｅＶ，

而ＡＩ：。Ｇａｌｏｓ作发射极时Ａ１组分ｘ＜０’３，其带隙小于１．８ｅＶ（Ｚｇ＝ｌ。４２４＋１．２４７ｘ）。

ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ异质结能带不连续主要是导带ＡＥｃ，而ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ异质结能带不

连续主要是价带ＡＥｖｌ３７１。高ＡＥｖ／ＡＥｃ比，有助于提高ＨＢＴ器件的电子注入效率，

从而提高增益。△风大，器件就具有优良的高温特性，ｍＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ在２５～３００

第三章］ｎＧａＰ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ外延材料与器件

℃的工作温度范围内电流增益保持不变””。而且，残余电压Ｋ仃ｓｅｔ小，使得在大

信号功率放大应用时有相对大的电压工作区域。基于ＩｎＧａＰ材料系统的功率放大

器有更高的功率附加效率Ｈ…。

（３）选择腐蚀

对ＨＢＴ发射区台面的腐蚀要求有准确的精度控制，因为基区的厚度是有限

的，过腐蚀会造成Ｂ、Ｃ结短路。目前，不论选择何种腐蚀液，Ａ１ＧａＡｓ和ＧａＡｓ

之间的选择腐蚀比都不能保证制各工艺上初一文言文大全及翻译 的均匀性和重复性日”。而ＩｎＧａＰ和

ＧａＡｓ之问选择腐蚀很高，降低了器件制作困难，有利于提高均匀性和产额，大

大地提高经济效益。

（４）材料生长

用金属有机物化学气相淀积（ＭＯＣＶＤ）及气态源分子柬外延（ＧｓＭＢＥ）

生长ＨＢＴ材料时，常用扩散系数小的Ｃ作为Ｐ型掺杂剂。由于Ｃ的热稳定性比

较高，在高功率ＨＢＴｓ结构中基区有更高掺杂水平【４０１。生长完基区后，由于记忆

效应，在接下来生长ＡｌＧａＡｓ发射区时不可避免耦合部分Ｃ掺杂剂，造成ｐ－ｎ结

和异质结同设计的不一致。而用ｌｎＧａＰ代替ＡＩＧａＡｓ作发射区，由于Ｉｎ—Ｃ键能

（４７ｋｃａｌ／ｍ０１）比Ａｌ，Ｃ键能（５９ｋｃａｌ／ｍ０１）弱，ｃ在ＩｎＧａＰ中不易耦合Ｈ１］ｆ矧。即

使在固态源ＭＢＥ用扩散系数相对大的Ｂｅ作为Ｐ型掺杂剂，也因为ＩｎＧａＰ的生

长温度低，使Ｂｅ的扩散和耦合到ＩｎＧａＰ发射区比Ａ１ＧａＡｓ作发射区少得多【”１。

此外，ＩｎＧａＰ外延层少数载流子寿命跃，表面和界面复台速度低，有利于降

低１／ｆｉｌｌｅｔ４“。

３．１．２ＩｎＧａＰＩＧａＡｓＨＢＴ的研究进展

ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ最早在１９８５年出现【４”，近年来，ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ已经取

代ＡｌＯａＡｓ／ＧａＡｓ，成为ＨＢＴ研究和工业开发的热点。ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ研究发

展到现在，其典型的电流增益超过１００，小电流时宜流增益比ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ

的大，即使在Ｉｃ＝１０ｒｔＡ时，电流增益仍为ｌＯ【４６Ｊ。ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ的ＥＢ结开启

电压％。的典型值为１．０７Ｖ，与Ａｌｏ２５Ｇａｏ７５Ａｓ／ＧａＡｓＨＢＴ的开启电压相近。它的

残余电压圪侬。为Ｏ．１３Ｖ左右，膝点电压Ｋ的值主要由％钕。及发射区和集电区

电阻及电流密度所决定，一般小于ｌＶ。人们也曾尝试用各种新结构去提高其频

率特性，如用组分渐变的Ｉｎ，Ｇａｌ。Ａｓ基区可以减少基区渡越时问，用

ＡｋＧａｌ．，Ａｓ／ＩｎＧａＰ复合发射区可以减少ＥＢ结的电容，用减少基区和集电区的厚

度也是提高器件频率特性的一种非常有效的方法。除了新结构之外，通过优化器

件制备工艺来挖掘出优良性能。在作者了解的知识范围内，目前ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ

的截止频率＾的最大值可达到１５６ＧＨｚ，最大振荡频率矗ａｘ的最高值可高达

⑨第三章ｌｎＧａＰ写母亲的现代诗歌 ／ＧａＡｓＨＢＴ外延材料与器件

３．２ＩｎＧａＰ外延层的生长

通过对用ＧａＰ分解源生长ＩｎＧａＰ外延层关键工艺参数的初步优化，得到如

下的优化条件：低温缓冲层生长温度为３５０。Ｃ，时间为５”，高温生长温度为４６０

℃，Ｖ／ＩＩＩ１５，生长速率为１ＭＬ／ｓ。我们用ＰＬ谱、Ｈａｌｌ测量以及Ｘ—Ｒａｙ衍射对

该条件下生长的ＩｎＧａＰ外延层的光学性能、电学性能以及结构进行了表征。

３．２．１ＩｎＧａＰ外延层的ＰＬ谱

图３－１给出的是ＩｎＯａＰ外延层的ＰＬ谱，在室温时，峰位是１．８９８ｅＶ，半峰

宽是３４．５ｍｅＶ。在１５Ｋ时，峰位是１．９９８ｅＶ，半峰宽是５．２６ｍｅＶ。在作者了解的

知识范围内，相比其他方法或其他Ｐ源生长的ＩｎＧａＰ外延层来说，半峰宽是最

小的，峰位（可粗略认为是带隙）接近最大值Ｍ３４９１。

Ｐｈｏｔｏｎ

ｎｅｒｇ州ｏＶ

（ａ）Ｔ＝３００Ｋ

图３－１ｉｎＧａＰ外延层的（ａ）室温和（ｂ）１５Ｋ时ＰＬ谱

３．２．２ＩｎＧａＰ外延层的Ｈａｌｌ测量结果

非故意掺杂的ＩｎＧａＰ外延层样品是ｔ，／型的，根据Ｈａｌｌ测量的精度，本底掺

杂浓度是－１０１４

１０”，典型的室温迁移率是３３００ｃｍ２／Ｖｓ，７７Ｋ迁移率是

１９０００ｃｍ２／Ｖｓ，与文献［４８】【５０］［５１】［５２］［５３】报道的值类似。

第三章ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ外延材料与器佴：

３．２．３ＩｎＧａＰ外延层的Ｘ－Ｒａｙ双晶摇摆曲线

图３－２给出了３啪厚ＩｎＧａＰ外延层的ｘ．Ｒａｙ双晶摇摆曲线，品格失配度Ａ

“ａ小于１％，外延层半峰宽可以同衬底的半峰宽相比拟，说明外延层的晶体结构

是很均匀的。另外从ｘ．Ｒａｙｍａｐｐｉｎｇ上可以看出外延层的组分是很均匀的。

ＯＭＥＧ４０ＴＨＥＴＡ（ａｒｃｓｅｃ）

图３－２ＩｎＧａＰ外延层的Ｘ—Ｒａｙ双晶摇摆曲线

３．３ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ器件的初步研究

３．３．１固态源分子束生长的ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ外延材料结构

使用Ｖ８０ＭＢＥ设备生长ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ的材料结构如表３—１所示。

Ｌａｙｅｒ

Ｍａｔｅｒｉａｌ

Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ

Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ

Ｄｏｐｉｎｇ

Ｔｙｐｅ

Ｄｏｐａｎｔ

Ｎｏ

ｔｙｐｅ

（ｘ）（ｎｎ２）

Ｌｅｖｅｌ

ＩｎｘＧａｌ．ｘＡｓ

ｘ＝０５

５０７Ｅ１８ｎ＋Ｓｉ

ＩｎｘＧａｌ—ｘＡｓｘ＝０－０．５５０

７Ｅ１８ｎ＋Ｓｉ

ＧａＡｓ

１００５Ｅ１８ｎ＋Ｓｉ

ＥＩｎｘＧａｌ．ｘＰｘ＝０．４８

６０３Ｅ１７ｎＳｉ

第三章ＩｎＧａＰ／ＯａＡｓＨＢＴ外延材料与器件

ＧａＡｓ

５

Ｕｎｄｏｐｅｄ

ＢＧａＡｓ

８０３Ｅ１９

ｐ＋

Ｂｅ

ＧａＡＳ

５

Ｕｎｄｏｐｅｄ

ＣＧａＡｓ

５００４Ｅ１６ｎ－Ｓｉ

ＧａＡｓ

６００５Ｅ１８ｎ＋Ｓｉ

Ｓ．Ｉ．ＧａＡｓＳｕｂｓｔｒａｔｅ

表３－１ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ的材料结构图

对比Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ，ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ外延层生长时的关键问题除了基

区Ｂｅ扩散外，还有ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ的界面质量。界面处Ｖ族源Ｐ和Ａｓ的切换是较

为关键的问题。

３．３．２电化学Ｃ－Ｖ及二次离子质谱（ＳＩＭＳ）测试

化学ｃ—Ｖ测试外延层载流子浓度分布如图３－３，由于采用基区低温生长、加

阻挡层、生长基区时增大Ｖ／ＩＩＩ族束流比等措施。可以看出，基区Ｂｅ的扩散不明

显。电子部４６所二次离子质谱（如图３－４所示）测试与化学Ｃ—Ｖ测试结果相吻

Ａ

ｌｊ

ｌ

ｌ

｝

．＾【

ｌ气‘＇【

ｌ—

ｌＪ

ｌ，｛

ｌ：｜ｌ

ｌ

Ｊｌ；】

ｉ｛

图３－３ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ外延片载流子浓度分旆

第三章ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ外延材料与器件

＂ｒｉｍｅ（ｒａｉｎ）

图３—４各元素ＳＩＭＳ深度分布

３．３．３采用Ｌｅｈｉｇｈｔｏｎ薄层电阻测试仪测试ＨＢＴ均匀性

采用Ｌｅｈｉｇｈｔｏｎ薄层电阻测试仪我们测试了所生长ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ薄层电

阻的均匀性，可以看出外延片的不均匀性小于Ｏ．６％。

３．３．４器件制备与直流特性

采用常规的台面工艺，传统的湿法刻蚀，制作了大面积的ＨＢＴ（因为大面

积管芯的基区复合效应不明显）。用光刻胶作为抗蚀剂，制作的发射极台面面积

为７５７５９ｍ２，采用腐蚀液为Ｈ２Ｓ０４：Ｈ２０２；Ｈ２０（１：１：８０），腐蚀ＩｎＧａＰ的腐蚀

液为ＨＣＩ：Ｈ２０（３：１）。电极欧姆接触采用金属热蒸发，基区为Ｚｎ／Ａｕ，发射极和

集电极使用Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ。由于ＧａＡｓ与ＩｎＧａＰ很容易实现选择腐蚀，器件制备

就容易了许多。

器件输出特性曲线如图３—５所示，器件的直流特性为：Ｂ一３５，Ｖ。。＝１．３Ｖ，

Ｖｏｆｆｓｅｔ＜Ｏ．３Ｖ。

色一毒芒一

第三章ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ外延材料与器件

．兰

口

ｉ

￡

■

卫

ＶｅＥ：Ｉ

Ｖｌｄｉｖ，Ｉｂ：５０ｕＡ／ｓｔｅｐ

图３－５ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ的输出特性

对比ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ，ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ外延层生长时的关键问题除了基

区Ｂｅ扩散外，还有ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ的界面质量。界面处Ｖ族源Ｐ和Ａｓ的切换是较

为关键的问题。系统没有配备阀控Ａｓ炉时，在生长完基区ＧａＡｓ后需要中断很

长时间后才能生长ＩｎＧａＰ发射区，所以界面质量很差，同样的结构时ＨＢＴ直流

放大倍数只有４。而在系统配备了阀控Ａｓ炉后，界面处Ｖ族源Ｐ和Ａｓ的切换就

容易得多，接下来就可以优化Ａｓ、Ｐ转换条件，进一步提高ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ的

性能。

３．４小结

ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ由于在材料性能和器件制作上具有Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓ无法比拟的优

势，ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ成为目前ＧａＡｓ基ＨＢＴ研究和应用的主流。本章总结了

ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ的优点、研究进展以及ＩｎＧａＰ的合金有序度的表征。我们能生

长高质量ＩｎＧａＰ的外延层工艺条件是：低温缓冲层生长温度为３５０℃，时间为５

”，高温区生长温度为４６０℃，Ｖ／ＩＩＩ＝１５。低温ＰＬ谱以及变温ＰＬ谱表明，该条

件下生长的ＩｎＧａＰ外延层的ＰＬ谱不仅半峰宽（５．２６ｍｅＶ）是目前报道最小的，

而且峰值（１．９９８ｅＶ）接近最大值（２．０１ｅＶ）。

因为ＭＢＥ生长过程中Ｐ容易扩散造成污染，目前我们只采用常规材料结构

生长ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ并制作了大面积的器件，其直流特性仅为：口。３５，

Ｖ。。＝１．３Ｖ，Ｖ。ＩＴｓ。。＜０．３Ｖ。在此基础上，我们需要进一步改进结构，主要是基区厚

度和掺杂浓度，以提高卢值和制备小器件研究其频率特性。

第四章ＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂＨＢＴ外延材料与器件

４．１简介

第四章ＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ

ＨＢＴ外延材料与器件

多年来，ｍ，ｖ族化合物在半导体器件上的应用主要集中在品格匹配的

Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓ材料上。因为ＧａＡｓ的禁带宽度（１．４２ｅｖ）和Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ

的△Ｅｃ较大，这样以ＧａＡｓ做基区的ＨＢＴ的ＥＢ结开启电压相对较高，当这些

器件应用于集成电路时会增加功耗。而ＩｎＰ基ＨＢＴ虽然可以降低ＨＢＴ的ＥＢ结

丌启电压，但是ＩｎＰ衬底容易破碎、成本也较高。所以我们尝试使用ＧａＡｓＳｂ作

为基区来制作Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓＤＨＢＴ，以克服以上ＨＢＴ的缺点。

４．１．１ＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂＨＢＴ材料的优点

虽然ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓ的品格失配很大（约为８％），但是当外延层较薄时能够

基本上避免这种失配的发生。同ＡＩＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ相比，用ＧａＡｓＳｂ作ＨＢＴ的基

区在材料性能和器件制作上有以下三个优点。

（１）ＧａＡｓＳｂ和ＧａＡｓ的禁带宽度不同主要集中在价带，这对于ｎｐｎ型ＨＢＴ

非常有利㈣【５５】，且其不连续性（Ｏ．７３８ｅＶ）明显大于ＧａＡｓ／Ａ１Ａｓ体系（０．５５ｅＶ）

［５６１。

（２）ＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ能很好的限制少数载流子（空穴）从发射区注入到基区，

而且能够获得很高的电子注入效率。与此同时，导带不连续较小，可以在异质结

外延生长过程中省去渐变层。

（３）在ＩＩＩ／Ｖ族化合物半导体中，ＧａＳｂ的空穴迁移率较高（６８０ｃｍ２／ｖｓ），

这样可以省去基区的Ｐ型欧姆接触‘５

７１。而且在高掺杂时能够获得较小的基区电

阻，从而提高器件的速度。

４．１．２ＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂＨＢＴ的研究进展

目前文献中报道的最好特性是ＯａＡｓ／ＧａＡｓｏ９ｌＳｂ００９

ＨＢＴ，其开启电压可以低

至０．９９０Ｖ［５８１。而我们实验所得到的Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓｏ

８９Ｓｂ０１ｌ／ＧａＡｓＨＢＴ，经测试ＢＥ

结的开启电压达到了Ｏ．８Ｖ。

蔓婴童竺坠！竺坠堕！里里！苎垩塑型兰璺堡——

４．２

ＧａＡｓＳｂ外延层的生长

当ＧａＡｓＳｂ在晶格常数不同的衬底（如ＧａＡｓ）上外延时，会产生一个应力。

当随着外延层厚度的增加，应力增加到一定的程序时就会产生位错。积累在层中

的应力能量和失配位锚之间存在着折衷方案，这就引出了所谓的临界厚度概念。

在临界厚度之下可以得到质量较好的外延层，超过临界厚度则会产生大量的缺

陷。该层会通过在表面与原始衬底间产生的失配位错将能量部分或全部释放到它

的独立式晶格常数中。

图４－１外延层临界厚度与Ｓｂ在ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ中组分的关系【５９１

如图４－１所示，纯ＧａＳｂ在ＧａＡｓ和ＡｌＡｓ树底上的外延牺界厚度仅有】ＯＡ。

鉴于在文献中给出的数据相对保守，通过实际测试当外延层厚度为６００Ａ，

Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓｌ，ｙｓｂｙ／ＧａＡｓ中的ｙ＝Ｏ．１…时，不会出现明显的晶格失配。

４．３ＧａＡｓＳｂ，ＧａＡｓＨＢＴ器件的初步研究

４．３．１

ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓＤＨＢＴ外延材料结构

使用Ｖ８０ＭＢＥ设备生长ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓＨＢＴ的材料结构如表４—１所示。

ＬａｙｅｒＭａｔｅｒｉａｌＴｈｉｃｋｎｅｓｓ（Ａ）

Ｄｏｐｉｎｇ（ｃｍ。）Ｄｏｐａｎｔ

ｎ＋Ｉｎｏ

５ＧａＡｓ

５００

８ｘ１０１８

Ｓｉ

Ｅｍｉｔｔｅｒ

Ｃａｏｎ＋Ｉｎｏ～ｏ５ＧａＡｓ

５００６～８１０１８

Ｓｉ

ｎ十ＧａＡｓ

１０００５１０ｌ

８Ｓｉ

＾｝ｏ

、西＿基警萄

第四章ＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂＨＢＴ外延材料与器件

Ｇｒａｄｉｎｇ

ｌａｙｅｒ—Ａｌｏ２５～ｏＧａＡｓ

３００ｌ～３１０１７

Ｓｉ

Ｅｍｉｔｔｅｒ

ｎ＋Ａ１０２５ＧａＡｓ

６００

３１０１７

Ｓｉ

Ｇｒａｄｉｎｇ

ｌａｙｅｒ１１＋Ａｌｏ－ｏ

２５ＧａＡｓ

３００１－３１０１７

Ｓｉ

Ｓｐａｃｅｒ

ｕｎ—Ｇａ＿Ａｓ５０

Ｕｎｄｏｐｅｄ

Ｂａｓｅ

ｐ＋ＯａＡｓｏ

ｓｇＳｂｏＩＩ

６００８ｘ１０１８

Ｂｅ

Ｓｐａｃｅｒ

Ｕｎ．ＧａＡｓ５０

Ｕｎｄｏｐｅｄ

Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｎ十ＧａＡｓ５０００４１０１６

Ｓｉ

Ｓｐａｃｅｒ

Ｕｎ．ＧａＡｓ５０

Ｕｎｄｏｐｅｄ

Ｓｕｂｃｏｌｌｅｃｔｏｒ—ＧａＡｓ６０００５１０１８

Ｓｉ

表４－１ＯａＡｓＳｂ／ＧａＡｓＨＢＴ的材料结构图

４．３．１扫描电镜测试

我们用扫描电镜对该条件下生长的ＩｎＯａＰ外延层的结构进行了表征＜如图

４—２）。

图４－２

Ａｌｏ２５Ｇａｏ７５Ａｓ／ＯａＡｓｏ８９Ｓｂｏｌｌ／ＧａＡｓＤＨＢＴ外延层截面图

４．３．２器件制备与直流特性

采用常规的台面工艺，传统的湿法刻蚀，制作了大面积的ＨＢＴ（ＮＮＪ＜Ｎ

墨ｒ

第四章ＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂＨＢＴ外延材料与器件

积管芯的基区复合效应不明显）。用光刻胶作为抗蚀剂，制作的发射极台面面积

为７５７５Ｉａｍ２，采用腐蚀液为Ｈ２Ｓ０４：Ｈ２０２：Ｈ２０（１：１：８０）。电极欧姆接触采用

金属热蒸发，基区为Ｚｎ／Ａｕ，发射极和集电极使用Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ。

器件输出特性曲线如图４—３所示，器件的直流特性为：Ｂ一３０，Ｖ。。＝Ｏ．８Ｖ，

Ｊｃ＝２ｘ１０３Ａ／ｃｍ２。可以看出，该ＨＢＴ的漏电流较小，但是线性度不好、饱和压降

也较大。

４。４小结

。皇

ｑ

窀

霉

直

Ｖｃｅ：ＩＶ／ｄｒｙ，Ｉｂ：ｌ础ｔ／ｓｔｅｐ

图４－３Ａ１０２５Ｇａｏ

７ｓＡｓ／ＧａＡｓｏ８９Ｓｂ０１１／ＧａＡｓＨＢＴ的输出特性

由于ＡＩＧａＡｓ和ＧａＡｓＳｂ的禁带宽度差（即ＡＥｇ）主要集中在价带（即ＡＥｃ

大），导带差△Ｅｃ很小，通过增加ｓｂ的组分可以降低ＥＢ结的开启电压。而且

ＧａＡｓＳｂ的厚度只要加以限制就可避免产生位错。从实验中我们也可以证实这一

理论。Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓ

ＤＨＢＴ采用传统的台面工艺，在集电极电流密度Ｊｃ

为２１０３Ａ／ｃｍ２的情况下，共射极增益ｐ＝３０，丌启电压为Ｏ．８Ｖ。从这些特性可以

看出，ＧａＡｓＳｂ是降低ＨＢＴ开启电压的一种非常有用的材料，其性能的突破是可

能的，所以是一个非常值得研究的方向，但是有关的许多问题仍需要进～步解决。

第五章结论

第五章结论

目薛，主要有ＧｅＳｉ、ＧａＡｓ和ＩｎＰ三种材体系用于ＨＢＴ的制备。就频率特

性而言，从低到高的排列是ＧｅＳｉ体系、ＧａＡｓ体系和ＩｎＰ体系，而就其制造成本

从低到高依次为ＧｅＳｉ体系、ＧａＡｓ体系和ＩｎＰ体系。所以综合考虑材料体系的性

能和成本，ＧａＡｓ基ＨＢＴ是最适宜研究和市场应用的。

本文首先叙述了ＨＢＴ的特性、结构设计、典型材料结构、制作工艺以及ＧａＡｓ

基ＨＢＴ结构的研究状况，然后详细描述了分子束外延设备原理和构造。在韭Ｅ基础

上研究了ＧａＡｓ基上Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓ，ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ，ＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ三种ＨＢＴ材料

生长和器件制作及其特性，得到了如下的主要结果：

１．由于ＡＩＧａＡｓ与ＧａＡｓ晶格常数匹配，材料生长和器件制备都比较成熟，

研究ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ可为其他新型ＨＢＴ材料研究奠定基础。本章设计了突变

结和缓变结Ａ１ＧａＡｓ／ＯａＡｓＨＢＴ，优化了基区的生长条件，综合考虑Ｂｅ的扩散和

基区的晶体质量，基区的生长条件为Ｖ／ＩＩＩ＝３０，生长温度比ＧａＡｓ脱膜温度低３０

℃比较合适。制备的大面积的ＨＢＴ器件测试了直流特性：Ｂ一９０～１００，

Ｖｏｍｉｔ＜０．３Ｖ，ＥＢ、ＢＣ结的反向击穿电压分别为８Ｖ和１５ｖ：输出特性具有较好

的线性响应；Ｌｅｈｉｇｈｔｏｎ薄层电阻测试仪的测试显示其具有很好的均匀性。

２．ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ由于在材料性能和器件制作上具有ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ无法比拟

的优势，ＩｎＯａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ成为目前ＧａＡｓ基ＨＢＴ研究和应用的主流。本章总结

了ＩｎＯａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ的优点、研究进展。我们能生长高质量ＩｎＧａＰ的外延层工艺

条件是：低温缓冲层生长温度为３５０。Ｃ，时间为５”，高温区生长温度为４６０９Ｃ，

Ｖ／ＩＩＩ＝１５。低温ＰＬ谱以及变温ＰＬ谱表明，该条件下生长的ＩｎＧａＰ外延层的ＰＬ

谱不仅半峰宽（５．２６ｍｅＶ）是目前报道最小的，而且峰值（１．９９８ｅＶ）接近最大

值（２．０１ｅＶ）。目前我们只采用常规材料结构生长ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴ并制作了大

面积的器件，器件的直流特性为：∥。３５，Ｖ。。＝１＿３Ｖ，Ｖ礁Ｈ＜０．３Ｖ，在此基础上

需要改进结构，主要是基区厚度和掺杂浓度，进～步提高卢值和制备小器件研究

其频率特性。

３．ＧａＡｓＳｂ是降低ＨＢＴＥＢ结开启电压的一种非常有用的材料，其性能的突

破是可能的，所以是一个非常值得研究的方向，但是有关的许多问题仍需要进一

步解决。由于ＡＩＧａＡｓ和ＧａＡｓＳｂ的禁带宽度主要集中在价带，导带连续性很小，

通过增加ｓｂ的组分可以降低开启电压。而且ＧａＡｓＳｂ的厚度只要加以限制就可

避免产生位错。从实验中我们也可以证实这一理论。我们制作的

⑨第五章结论

ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓＤＨＢＴ采用传统的台面工艺，在集电极电流密度Ｊｃ为

２１０３Ａ／ｃｍ２的情况下，共射极增益１３＝３０，开启电压为０．８Ｖ。

墨耋奎堕

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（Ｇａ，Ｉｎ）Ｐｅｍｉｔｔｅｒ

ｏｎ

ａＧａＡｓ

ｂａｓｅ，ｇｒｏｗｎｂｙ

ｍｏｌ

ｅｃｕｌａｒｂｅａｍ

ｅｐｉｔａｘｙ，ＩＥＥＥ

Ｅ１ｅｃｔｒｏｎ

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ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ

ｏｆＩｎｏ４８Ｇ矾５２Ｐ

ｇｒｏｗｎｂｙ

ｍｏｌｅｃｕｌａｒ—ｂｅａｍ

ｅｐｉｔａｘｙｕｓｉｎｇａｖａｌｖｅｄ

ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ

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ｄｉｓｏｒｄｅｒｅｄＩｎＧａＰｏｎ（１００）

ＧａＡｓ

ｂｙ

ｍｏｌｅｃｕｌａｒｂｅａｍ

ｅｐｉｔａｘｙ

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ｑｕａｌｉｔｙ

Ｉｎｌ】４８Ｇａｏ５２Ｐ

ｇｒｏｗｎｂｙｇａｓ

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ｎｋ，ＭａｒｔｉｂＺａｃｈａｕ，Ｔ．ｗ．Ｈｉｃｋｍｏｔｔ，ｅｔａ１．。Ｅ１ｅｃｔｒｏｎｉＣａｎｄ

ｏｐｔｉｃａｌ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＩｎＧａＰ

ｇｒｏｗｎｂｙｇａｓ～ｓｏｕｒｃｅ

ｍｏｌｅｃｕｌａｒ—ｂｅａｍ

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ｏｈｍｉｃｃｏｎｔａｃｔｓｏｎｐ－ｔｙｐｅ

ＧａＡｓ

ｕｓｉｎｇ

ＧａＳｂ／ＧａＡｓ

ｓｔｒａｉｎｅｄ—ｌａｙｅｒｓｕｐｅｒ

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Ｋｕｄｏ，Ｌｏｗ

ｔｕｒｎ—ｏｎ

ｖｏｌｔａｇｅ

ＧａＡｓｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ

ｂｉｐｏｌａｒ

ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓｗｉｔｈａｐｓｅｕｄｏⅢｏｒｐｈｉｃ

ＧａＡｓＳｂ

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ｉｎＧａＡｓｈＳｂ，／ＧａＡｓ

ｓｔｒａｉｎｅｄ—ｌａｙｅｒ

ｍｕｌｔｉｐｌｅｑｕａｎｔｕｍ

ｗｅｌｌｓ

ｇｒｏｗｎｂｙ

ｍｏｌｅｃｕｌａｒ—ｂｅａｍ

ｅｐｉｔｘｙ，

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发表论文和参加科研情况说明

发表论文和参加科研情况说明

［１］ＮｉｕＰｉｎｇｊｕａｎ，ＨｕＨａｉｙａｎｇ

ｅｔａ１．，

“ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ

ＨＢＴ

ｇｒｏｗｎｂｙ

ｓｏｌｉｄｓｏｕｒｃｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｂｅａｍ

ｅｐｉｔａｘｙ

ｗｉｔｈａＧａＰ

ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｕｒｃｅ”，

ＳＰＩＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ

ＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＭＥＭＳ，ａｎｄ

Ｎａｎｏｔｅｃｌｍｏｌｏｇｙ，Ｐｅｒｔｈ，

Ａｕｓｔｒａｌｉａ，

２００３．

［２］胡海洋，牛萍娟，等，“ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ

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届全国化合物半导体、微波器件和光电器件学术会议暨第九届全国固体

薄膜学术会议，大连，中国，２００４

［３］ＮｉｕＰｉｎｇｊｕａｎ，Ｈｕ

Ｈａｉｙａｎｇ

ｅｔ

ａ１．，“ＧａＡｓ／ＧａＡｓｏ８９Ｓｂｏ１ｌ

ｄｏｕｂｌｅ

ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｂｉｐｏｌａｒｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ（ＤＨＢＴｓ）ｇｒｏｗｎｂｙ

ＳＳＭＢＥｗｉｔｈａＧａＡｓ

ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ

ｓｏｕｒｃｅ”，ＳＰＩＥ

Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ

ＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＭｉｃｒｏｅｔｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，

ＭＥＭＳ，ａｎｄＮａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ，２００４，

［４］Ｓ．Ｄ．Ｗｕ，ＬＷ

Ｇｕｏ，Ｗ．Ｘ．Ｗａｎｇ，Ｚ．Ｈ．Ｌｉ，Ｘ．Ｚ．Ｓｈａｎｇ，Ｈ．Ｙ．Ｈｕ，Ｑ．Ｈｕａｎｇ，

Ｊ．Ｍ．Ｚｈｏｕ，“Ｔｈｅｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ

ｂｅｈａｖｉｏｒｏｆ

ａｒｓｅｎｉｃａｎｄ

ａｎｔｉｍｏｎｙ

ｉｎ

ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓ

ｇｒｏｗｎｂｙ

ｓｏｌｉｄ－ｓｏｕｒｃｅｍｏｌｅｃｕｌａｒ

ｂｅａｍ

ｅｐｉｔａｘｙ”，Ｊｏｕｒｎａｌ

ｏｆ

ＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ，２００４，２７０（３／４）：３５９～３６３

［５］参与中国科学院物理研究所“砷化镓微波功率器件用分子束外延材料，，

项目，负责ＨＢＴ器件工艺。

附录

、ＨＢＴ王艺版冈

附录

二、ＡＴＬＡＳ器件模拟程序：（基区掺杂为】１０。９／ｃ１＂１２。）

ｇｏ

ａｔｌａｓ

ＴＩＴＵ；Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴＩｃ—Ｖｅｅ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈＥＢａｎｄＮＥＢＭｏｄｅｌｓ

＃ＳⅡ：ｖＡＣＯＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ１９９４

＃ＥＢｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

＃ＳＥＣＴＩＯＮ

１：Ｍｅｓｈ

ｓｐｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ

ｒｅｃｔＨＸ＝ｉ６

ｎｙ－８５

ｎ＝ｌ】－０．０

ｒ＝ｌ０

ｎ＝５１＝２。ＯＦ１．０

ｎ－８

仁２．８ｉ－＝１０

ｎ－１２卜３．２ｒ＝１

０

１２－１６１４０ｒ－１．０

船

ｍ

ｍ

ｍ

ｍ

ｍ

Ⅱ

ｘ

Ｘ

ｘ

ｘ

ｘ

⑨附录

ｎ＝１

ｎ＝８

ｎ＝１６

ｎ＝２３

ｎ＝３０

ｎ＝５８

ｎ＝６５

ｎ＝８５

ｌ＝Ｏ．０

１＝０。１

ｌ＝Ｏ．１５

１＝Ｏ．２

】．Ｏ．２５

ｌ＝０．４０

１＝Ｏ．７０

１＝０．９０

ｒ＝１．０

ｒ＝１．０

ｒ＝０．９５

ｒ＝１．０

ｒ＝０．９

ｒ＝１．０

ｒ＝１．０

ｒ＝１．０

＃ＳＥＣＴＩＯＮ２：Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ

ｒｅｇｉｏｎ

ｎｕｍ。１ｍａｔｅｒｉａｌ＝ＧａＡｓ

ｙ．ｍｉｎ＝０．７５

ｒｅｇｉｏｎ

ｎｕｍ２２ｍａｔｅｒｉａｌ＝ＧａＡｓ

ｙ，ｍｉｎ＝Ｏ．２５ｙ．ｍａｘ＝Ｏ．７５

ｒｅｇｉｏｎ

ｎｕｍ２３

ｍａｔｅｒｉａｌ＝Ａ１ＧａＡｓ

ｙ．ｍａｘ＝０．１２

ｘ．ｃｏｍｐ＝０．３ｇｒａｄ．３４＝０．０３

ｒｅｇｉｏｎ

ｎｕｍ＝４ｍａｔｅｒｉａｌ＝ＧａＡｓ

ｙ．ｍｉｎ＝０．１

５

ｙ．ｍａｘ＝０．２５

ｒｅｇｉｏｎ

ｎｔｌｍ＝５ｍａｔｅｒｉａｌ＝Ｓｉ０２

ｙ，ｍａｘ＝Ｏ．１

５

ｘ．ｍａｘ－－３．０

ｄｅｅ

ｎｔｌｍ２１

ｎａｍｅ＝ｅｍｉｔｔｅｒｘ．ｍｉｎ＝３．０

ｘ．ｍａｘ＝４．０

ｙ．ｍｉｎ＝０．０ｙ．ｍａｘ＝０．０

ｅｌｅｃｎｌｌｍ２２ｎａｍｅ＝ｂａｓｅ

ｘ．ｍｉｎ＝０．０

ｘ．ｍａｘ＝２．０

ｙ．ｍｉｎ＝０．１５ｙ．ｍａｘ＝０．１５

ｄｅｃ

ｎｕｍ＝３ｎａｍｅ＝ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｈｏｔ

ｄｏｐｉｎｇ

ｕｎｉｆｏｒｍ

ｒｅｇｉｏｎ＝ｌｎ．ｔｙｐｅ

ｃｏｎｃ＝１．ｅｌ

８

ｄｏｐｉｎｇ

ｕｎｉｆｏｒｍ

ｒｅｇｉｏｎ＝２ｎ，ｔｙｐｅ

ｃｏｎｃ＝１．ｅ１７

ｄｏｐｉｎｇ

ｕｎｉｆｏｒｍ

ｒｅｇｉｏｎ＝３ｎ．ｔｙｐｅ

ｃｏｎｃ＝５ｅｌ７

ｄｏｐｉ“窖ｕ枣ｉ￡Ｑ！媳ｊ蠛ｇ‘？ｎ笺ｊｉ囊；蜒＠蔓ｉ９鞲１

１ｅ１９

ｓａｖｅｏｕｔｆ＝ｈｂｔｅｘ０４＿Ｏ．ｓｔｒ

ｔｏｎｙｐｌｏｔｈｂｔｅｘ０４＿Ｏ．ｓｔｒ—ｓｅｔ

ｈｂｔｅｘ０４—０，ｓｅｔ

ｍａｔｅｒｉａｌｔａｕｎ０＝２．ｅ－１０

ｔａｕｐ０＝２．ｅ．１０ｔａｕｒｅｌ．ｅｌ＝１．ｅ一１２＼

ｔａｕｍｏｂ．ｅｌ＝１．ｅ－１２

ｍａｔｅｒｉａｌ

ｍａｔｅｒｉａｌ２Ａ１ＧａＡｓｍｕｎ２２１７０

ｍｕｐ２３５０

ｔｍｕｎ＝１

ｔｍｕｐ＝２

１

ｍ

ｍ

ｍ

ｍ

ｍ

ｍ

ｍ

ｍ

ｙ

ｙ弘弘ｙ

ｙ弘矿

附录

ｍｏｄｅｌｓｒｈｆｌｄｍｏｂ

ｐｒｉｎｔ

ｈｃｔｅ．ｅｌ

ｍｏｄｅｌｍａｔｅｒｉａｌ＝ＧａＡｓｃｏｎｍｏｂｅｖｓａｔｍｏｄ＝ｌ

ｏｕｔｐｕｔ

ｖａｌ，ｂａｎｄｃｏｎ．ｂａｎｄ

ｅ．ｖｅｌｏｃｉｔｙ

ｓｏｌｖｅｉｎｉｔ

ｍｅｔｈｏｄｎｅｗｔｏｎ

ｍａｘｔｒａｐ。６ｔｅｍｐ．ｔｏｌ＝１．ｅ一４

ｔｒａｐ

ｉｔｌｉｍ＝５０＼

ｖｓａｔｍｏｄ．ｉｎｃ＝Ｏ．０１

ｓｏｌｖｅｖｂａｓｅ＝Ｏ。００５

ｓｏｌｖｅＶｂａｓｅ＝Ｏ０２

ｓｏｌｖｅ

ｖｂａｓｅ＝Ｏ，０５

ｓｏｌｖｅ

ｖｂａｓｅ＝Ｏ．２

ｖｓｔｅｐ＝Ｏ．２

ｖｆｉｎａｌ＝１．２

ｅｌｅｃｔｒ＝２

ｃｏｎｔａｃｔｎｕｍ＝２ｃｕｒｒｅｎｔ

ｓｏｌｖｅ

ｉ２—１．ｅ－５

ｓｏｌｖｅｉ２＝１．２ｅ一５

ｓｏｌｖｅｉ２＝１．５ｅ．５

ｌｏｇｏｕｔｆ＝ｈｂｔｅｘ０４—１

９—１．１０９

ｍａｓｔｅｒ

ｓｏｌｖｅ

ｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．０２５

ｓｏｌｖｅ

ｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．０５

ｓｏｌｖｅ

ｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．１

ｖｓｔｅｐ＝Ｏ．０５

ｖｆｉｎａｌ＝２

ｅｌｅｃｔｒ＝３

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝１．９０

ｓｏｌｖｅ

ｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝１．８０

ｓｏｌｖｅ

ｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝１．７０

ｓｏｌｖｅ

ｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝１．６０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝１．５０

ｓｏｌｖｅ

ｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝１．４０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝１．３０

ｓｏｌｖｅ

ｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝１．２０

附录

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝１．１０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝１．００

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．９０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．８０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．７０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．６０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．５０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．４０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．３０

ｓｏｌｖｅ

ｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．２０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ。１０

ｌｏｇｏｕｆｆ＝ｈｂｔｅｘ０４—１９—２，ｌｏｇ

ｍａｓｔｅｒ

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．１

ｖｓｔｅｐ＝Ｏ．０５

ｖｆｉｎａｌ＝２ｅｌｅｃｔｒ＝３

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝１．９０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｅｔｏｒ＝１．８０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝１．７０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝１．６０

ｓｏｌｖｅ

ｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝１．５０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝１．４０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝１．３０

ｓｏｌｖｅ

ｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝１．２０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝１．１０

ｓｏｌｖｅ

ｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝１．００

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．９０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．８０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ，７０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．６０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．５０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．４０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．３０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．２０

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝Ｏ．１０

附录

ｌｏｇｏｕｔｆ＝－ｈｂｔｅｘ０４—１９—３．１０９

ｍａｓｔｅｒ

ｓｏｌｖｅｖｃｏｌｌｅｃｔｏｒ＝０．１

ｖｓｔｅｐ＝０．０５

ｖｆｉｎａｌ＝２

ｅｌｅｃｔｒ＝３

ｓａｖｅｏｕｔｆ＝ｈｂｔｅｘ０４ｅｂ．ｓｔｒ

三、ＡＴＬＡＳ器件模拟程序：（基区掺杂为ｌ１０增／ｃｍ。）

（只需将附录＿－ｊｊⅡ重显示的语句，替换为如下代码）

＿；≯霸臻舞蠢善；ｏ㈤

ｄｏｐｉｎｇｕｎｉｆ照鲠婴峨ｉｉ壁ｉ曼ｐ：ｏ篡照睡６ｈｉ曼ｌ二＠１８

致谢

致谢

本论文是在苗长云教授和牛萍娟副教授的悉心指导Ｆ完成的。在二年多的学

习和Ｉ研究过程中，她对我进行了耐心的指导，积极鼓励，严格要求，使我顺利地

完成了论文工作。导师渊博的学识，严谨的科研态度，高尚的品德使我终生受益。

同时，本论文也得到了郭维廉教授的亲切关怀和精心指导，他们严谨高效的工作

作风、认真负责的工作态度，勇于探索的创新精神将是我一生的学习榜样。在此，

向三位老师表示衷心的感谢！

作者特别感谢中科院物理研究所周均铭研究员，陈弘副研究员、王文新老师、

郭丽伟老师和弓南老师在学习、工作和生活上的关心和指导，论文中材料的设计

和生长：是与他们韵帮助是密切相关的。

在作者学习和研究过程中，还得到了本教研室其他老师的大力支持和帮助，

在此向他们表示衷心的感谢。他们是：李鸿强老师、杨广华老师、李晓云老师、

徐哲老师和曲丹老师。

感谢天津大学张士林老师、中科院物理研究所董宏伟博士、贾海强老师、李

卫老师在器件制作上帮助，感谢师妹胡海蓉、师弟刘宏伟，以及天津大学齐海涛

博士、钟鸣同学、宋瑞良同学，中科院物理研究所刘斌博士、吴曙东博士、李志

华博士、王晓晖同学在实验中的帮助和讨论。

难忘与一起毕业的曾华鹏、刘剑、朱锐、闰吉功、郑全阶、陈松、宋伟等同

学结下的深厚友谊。

感谢曾经关心，支持和帮助过作者的所有老师，同学和朋友。

感谢家人一直以来的培养和支持，让我安心完成自己的学业，但愿此文能给

他们精神上的安慰！

GaAs基异质结双极晶体管（HBT）的模拟、设计与制作

作者：胡海洋

学位授予单位：天津工业大学

被引用次数：1次

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uper-gainAlGaAs/GaAsheterojunctionbipolartransistorsusingan

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transistorswithaBediffusionsetbacklayerinthebase1985(06)

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JSCurrentgainofgradedAlGaAs/GaAsheterojunctionbipolartransistors

withandwithoutabasequasi-electricfield[外文期刊]1992(11)

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tonMBE-Grown(GaIn)P/GaAsheterojunctionbipolartransistors

exhibitingcurrentgainsupto200[外文期刊]1990(03)

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transistors:systematicexperimentsandphysicalmodel2000(12)

ttHighReliability1998

eDeterminationofvalenceandcoduction-banddiscontinuitiesatthe

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aracterizationofdeeplevelsinInGaPgrownbycompound-sourcemolecularbeam

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bdulInGaP/InGaAs/GaAsHighElectronMobilitytransistorStructureGrown

bySolidSourceMolecularBeamEpitaxyUsingGaPasPhosphorousSource1997

uTaiAnomalousPhosphorusCrackerTemperature-DependentPhotoluminescence

SpectraofInGaPGrownbySolidSourceBeamEpitaxy2000

MBEgrownIn0.49Ga0.51P/GaAsheterojunctionbipolartransistorswithheavily

berylliumdopedbaseandundopedSpacer[外文期刊]2001

rTheoryofawide-GapEmitterforTransistors1957

gNgNondestructivedeterminationofberylliumoutdiffusioninAlGaAs/GaAs

heterojunctionbipolartransistorstructuresbylow-temperaturephotoluminescence1999

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C-dopedGaAsbyphotoluminescencespectroscopy

BeamⅢ.TaeKimRecentdevelopmentsinGaInP/GaAsheterojunctionbipolar

transistors1994(03)

Trappingcharacteristicsandadonor-complex(DX)modelforthe

persistent-photoconductivitytrappingcenterinTe-dopedAlxGal-xAs1979(02)

isLow-frequencynoisepropertiesofN-p-nAlGaAs/GaAsheterojunctionbipolar

transistors[外文期刊]1992(10)

EnergybandalignmentinGaAs:(Al,Ga)Asheterostructures:Thedependenceonalloy

composit规则的近义词 ion1986(01)

rsonTemperaturedependencesofcurrentgainsinGaInP/GaAsand

AlGaAs/GaAsheterojunctionbipolartransistors[外文期刊]1993(07)

ngenSelectiveetchingofⅢ-Ⅴcompoundswithredoxsystems1976

ukaCharacterizationofp-typeGaAsheavilydopedwithcarbongrown

bymetalorganicmolecular-beamepitaxy1988(08)

Improvedperformanceofcarbon-dopedGaAsbaseheterojunction

bipolartransistorsthroughtheuseofInGaP1992(09)

hnerUseofCCl4andCHCl3ingassourcemolecularbeamepitaxy

forcarbondopingofGaAsandGaxIn1-xP1991

hnerCarbondopingofGaP,GaInP,andAlInPinmetalorganic

molecularbeamepitaxyusingmethylandethyprecursors1981

ngUltralowinterfacerecombinationvelocityinordered-

disorderedGaInP2doubleheterostructures1995(04)

rHeterojunctionbipolartransistorusinga(Ga,In)PemitteronaGaAs

base,grownbymolecularbeamepitaxy1985

sMHighreliabilityInGaP/GaAsHBT1998(04)

47.石瑞英.刘训春HBT结构的新进展[期刊论文]-半导体技术2002(6)

gEffectsofsubstratetemperatureonthepropertiesofIn0.48Ga0.52P

grownbymolecular-beamepitaxyusingavalvedphosphoruscrackercell[外文期刊]1998

rowthofhighlydisorderedInGaPon(100)GaAsbymolecularbeam

epitaxywithaGaPdecompositionsource2001

gGaInPgrownbymolecularbeamepitaxydopedwithBeandSn

1982(04)

rowthofInGaPonGaAsusinggas-sourcemolecular-beamepitaxy

1989(02)

geraldHighqualityIn0.48Ga0.52Pgrownbygassourcemolecularbeamepitaxy

1992(02)

mottElectronicandopticalcharacterizationofInGaP

grownbygas-sourcemolecular-beamepitaxy1992(02)

loJBand-edgealignmentinheterostructures1989

查看详情1981

htEnergybandalighmentinGaAs:(Al,Ga)Asheterostructures:Thedependenceon

alloycomposition1986

,C.,Peng,C.K.,Rockett,A.,Morkoc,HLow-resistance

nonalloyedohmiccontactsonp-typeGaAsusingGaSb/GaAsstrained-layersuperlattices1989

KudoLowturn-onvoltageGaAsheterojunctionbipolar

transistorswithapseudomorphicGaAsSbbase[外文期刊]2001

-AnastasiouKikiGaAsSbforheterojunctionbipolartransistors[外文期刊]1993

BandlineupinGaAs1-xSbx/GaAsstrained-layermultiplequantumwells

grownbymolecular-beamepitxy1989

1.陈乃金化合物半导体负阻器件模拟、设计及其应用的研究[学位论文]2005

2.杨秀丽.葛建民.李铭祥.韩建国超低噪声放大器的设计与优化[会议论文]-2007

3.潘骏电场作用下少子复合率新模型及相关器件的研究[学位论文]2004

4.巨楷如.杨洁.祁树锋.刘尚合硅基微波低噪声晶体管2SC3356的ESD潜在性损伤特性研究[会议论文]-2006

5.管小进DriftDrainMOSFET模拟与建模[学位论文]2006

6.赫晓龙基于CMOS工艺的高压MOSFET的研究[学位论文]2004

7.姚继军.张祖荫微波宽带低噪声放大器的设计[会议论文]-2000

8.苏董杰用于MMIC硅基双极型高频微波晶体管结构、性能研究及工艺开发[学位论文]2009

9.龚磊半导体器件模拟分析软件设计[学位论文]2002

10.张家田.付彧.严正国.ngguo超低噪声运算放大器AD797及其应用[期刊论文]-

石油仪器2010,24(5)

1.贾晓娟基于GaAs-PHEMT结构的微加速度计特性测试[学位论文]硕士2010

引用本文格式：胡海洋GaAs基异质结双极晶体管（HBT）的模拟、设计与制作[学位论文]硕士2004

-

——附加文档一篇——

工程概况

刘家湾北段市政工程总长度545m；道路设计红线宽

度主线30m,一副路面；车行道16m;绿化带2*4m；人行道2

*3m。

刘家湾北段市政工程设计内容包括：道路、雨水、污水

、给水、照明、弱点管道、标志标线工程。

技术指标：

1、道路性质：城市主干道（2级）

2、设计行车速度：40km/h

3、使用年限：15年

4、车行道、人行道设计坡度：2%

主要设计依据：

1、咸阳市住房和城乡建设局：“刘家湾北段市政工程”

设计委托书。

2、咸阳市城乡规划建筑设计院：“咸阳市彬县泾河区建

设规划图”。

3、《城乡道路设计规范》（CJJ37-90）

4、《城市道路和建筑物无障碍设计规范》（JGJ50-

2001、J114-2001）

5、《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2006）

6、《公路沥青路面施工技术规范》（JTGD40-2004）

7、《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）

1

-

8、《公路路基施工技术规范》（JTGF10-2006）

9、国家其它有关设计规范及标准。

第一章项目经理部组成

1.1工程项目管理模式

项目经理部由公司总部授权管理，按照企业项目管理

模式GB、T19001-

ISO91001标准模式建立的质量保证体系来运作，质量管

理为中心环节，以专业管理和计算机管理相结合的科学

化管理体制。

项目经理部按照我公司颁布的《项目管理手册》、《

质量保证手册》、《项目技术管理手册》、《项目质量

管理手册》、《项目安全管理手册》、《项目成本管理

手册》执行。

1.2工程项目管理的主要目标

质量目标：合格

工期目标：我公司投标自报工期为180日历天，满足建

设单位的要求。在满足合同工期和工程质量的前提下，

尽量加快施工进度，使工程提前交付使用，实现我公司

2

-

的承诺。

成本目标：科学管理，精密组织，在“人、机、料、

法、环”五个影响工程造价的因素方面加强管理和监控

，杜绝返工等质量事故，提高工程一次验收合格率，从

而降低工程的成本。

安全目标：确保不发生重大伤亡事故，杜绝死亡事故

，轻伤事故频率控制在5%o以内。

文明施工目标：以创建“陕西省文明工地”，作为文

明施工的标准。

消防目标：严格按照施工组织设计进行管理，消除现

场所有的消防隐患，达到各级消防主管部门和公司上级

主管部门的验收标准。

环保目标：创“绿色、无污染施工工地”。

教育培训目标：选派年轻有发展潜力的技术人员参加

公司举办的各类培训学习，与工程施工有关的先进技术

可以单独联系在外学习。

协作目标：积极配合甲方、监理、设计院和其他相关

单位的工作和监督检查，圆满完成工程项目的施工，给

公司创形象，为业主增光彩。

竣工回访和质量保修计划：根据我公司对业主的承诺

，每年夏季对用户进行回访。根据第80号建设部令，《

房屋建筑工程质量保修办法》的有关规定进行保修。房

3

-

屋地基基础和主体结构工程，保修年限为设计规定的该

工程的合理使用年限，屋面防水、卫生间防水以及外墙

面和房间的防渗漏、保候修期为5年，供热系统保修期为

二个采暖期，电气系统、给排水设备安装保修期为二年

；装修工程保修年限为二年。其它保修期限由建设单位

与我方以合同形式约定。

1.3项目组织机构及主要管理人员名单

本工程工期紧、任务重，本着“建造满意工程，提供

优质服务，一切为了业主与用户”的原则，我公司将选

配具有多年施工经验的管理人员及技术干部，组成一个

高效精干，开拓务实、富有活力的项目经理部，在现场

全权代表我单位行使管理职能，履行合同的各项权力和

义务，确保该工程如期、高效、优质、安全建成。项目

部下设工程技术室、财务室、物资设备室、预核算室及

综合办公室，各部室配备专业技术人员，负责现场施工

组织及质量、安全、技术、进度计划以及文明施工等各

项管理工作，监督检查各分部、分项工程施工。

项目组织机构及项目主要管理人员名单见附表。

职务姓名性别职称

项目经理高志春男工程师

材料员尚文琴男助工

施工员吴小茹男助工

4

-

安全员雷明录男助工

质检员范雄飞男助工

专职安全

员

郝卫星男技术员

项目组织机构图

第二章施工部署及总平面布置

5

项目经理

项目总工程师

施工作业班组

项目副经理

施工作业人员

专职质量员专职安全员

工程

项目

部

技术

质量

部

计统

预算

部

材料

设备

部

财

务

部

办

公

室

-

本工程质量标准要求高、计划施工总工期180日历天，

期间经历雨期，工期较紧张。为了保证基础、面层、照

明均尽可能有充裕的时间施工，优质高效地完成本工程

，须充分考虑到各方面的影响因素，从任务划分、人力

、资源、时间、空间的充分利用与合理配置上，科学部

署，严密组织工程流水施工。

2.1施工部署原则

为了保证基础、面层、排水、交通设施装饰均可能有

充裕时间施工，保证如期完成施工任务，全面考虑各方

面的影响因素，充分酝酿任务、人力、资源、时间、空

间的总体布局。

2.2总体施工顺序和部署原则

总体施工顺序：基层工程、面层工程、排水工程、照

明工程、竣工验收。

2.3

工程组织分段流水作业，采用机动翻斗车运输；采取“

样板法”施工，严格按照“三样板一顺序”法施工。

2.4季节性施工的考虑

根据施工进度的安排，需历经雨季施工，编制较为详

细的季节性施工措施，以加强质量控制与管理。

2.5交叉施工的考虑

为了贯彻空间占满时间连续，均衡协调有节奏，力所

6

-

能及留有余地的原则，保证工程总进度计划完成，需要

采用基层、面层、排水和指示牌的交叉施工。

2.6机械设备的投入

根据施工工程量和现场实际条件投入机械设备。灰土

搅拌采用一台双卧强制式JS500型搅拌机，一台HPD电子

配料机计量，配二台沥青泵车，机动翻斗车，进行现场

材料运输。

2.7施工流水段划分

2.7.1基层工程施工流水段划分

本工程基层不划分施工段。

2.7.2排水施工流水段划分：

该工程施工划分为二个流水段流水施工。

2.8现场施工条件

2.8.1由业主负责提供现场施工的用电，现场施工用电

总柜从变压器引入。

2.8.2

业主在现场有供水点，作为现场临水的水源，水源的水

管要求为100，以满足施工用水要求。

2.8.3

进场前现场内有障碍物已消除，具备施工条件。

2.8.4现场内地面全部硬化处理，做到无黄土外露。

2.9施工现场平面布置

7

-

详见现场平面布置图

2.10施工扰民问题

本工程要认真考虑尽量减少施工扰民问题，并严格按

照有关规定执行。

2.11临时用电、用水设计

1.临电设计：

综合以上11组用电设备的计算负荷，取周期系数KP=KQ

=0.8，则PJ=0.8*(53+27+.52.5+30.87+8.32+46.08+25.1

2+12+17.6+9.45+50.5)=0.8*332.44=265.95Kw

QJ=0.8*(54.09+27.54+46.2+23.15+11.07+61.27+25.62+

12.24+13.2+7.09)=0.8281.47=225.18KVA

SJ==318KVA

现场供电为三级配电，即总箱、二级箱、三级箱(手提

箱及插座箱)，两级空开、三级漏电保护。配电方式以放

射和串接结合，采用三相五线制，供电选重型橡套电缆

。考虑到现场实际情况及工程各个施工阶段的用电负荷

情况，配电箱平面位置见施工平面布置图。

2、临水设计

a、临水计算

根据本工程现场实际布置特点，现场临时用水管道采

用聚乙烯PE管。现场临时用水包括：施工用水Q1，现场

8

-

生活用水Q2，现场消防用水Q3。其中计算如下：

Q1=K1q1N1K1/8/3.6/300=1.15(16000+4000)83.6

300=

2.7L/s)

Q2：现场施工高峰期施工人员按200人计算。

Q2=q2N2K2/8/3600=200201.583600=0.21L/s

消防用水Q3：本现场物料堆放齐全，因此现场消防器

材布置相当重要。根据现场施工临水水量规定，当施工

现场占地不大于1ha（公顷）时，q3取15L/s。

考虑管道漏水系数1.1,则q3=1.115=16.5L/s。

现场施工用水干管管径D为：

D=SQR（4Q//v/100)=SQR（416.53.142100)

=0.1=100mm。

b、临时用水布置说明

临时用水管管材采用镀锌钢管。埋地敷设，埋设深度

为80厘米，以免被现场过往车辆损坏，冬季还可起到保

温作用。用水由闸阀控制。供现场消防。现场设临时用

水值班人员两名，负责现场用水的巡视维修。

增强职工的环保意识，节约用水，严禁水管出现跑、

冒、滴、漏象，临时用水及消防平面布置见附图。

9

-

第三章施工进度计划及措施

3.1工期目标

本工程我们经仔细研究，并结合我单位实际，在保证

安全、质量的前提下用180日历天完成全部施工任务，并

争取提前竣工。

3.2工期保证措施

本工程按我单位较成熟的项目法管理体制，建立规范

化的项目体系，实行项目经理负责制，成立本工程项目

经理部，实行项目法施工，对本工程行使计划、组织、

指挥、协调、施工、监督六项基本职能，配备有力的管

理层，选择能打仗、并有大型建筑施工阶段组成作业层

，承担本工程施工任务。

3.2.1制度保证

3.2.1.1建立生产调度例会制度

10

-

每周至少召开一次工程调度例会，检查上一次例会以

来的工程计划执行情况，

布置下一次例会前的工作安排。找出拖延施工进度的原

因，并及时采取有效措施保证计划完成。

3.2.1.2动态控制施工进度的制度

采用施工进度总计划与月、周计划相结合的各级网络

管理体系，进行施工进度计划的控制与管理，采用网络

技术进行动态管理。在施工中抓主导工序，找关键矛盾

，组织流水交叉，安排合理的施工顺序。做好劳动力调

配和协调工作，通过施工网络节点控制目标的实际现保

证各控制点工期目标的实现，从而进一步通过各控制点

工期目标的实际，确保总工期控制进度计划的实现。

3.2.1.3提高劳动工效，落实劳动承包制度

通过逐级签定劳动承包合同，约束劳动双方的行为。

即项目部要求作业队在一定时间完成某项工作，必须及

时提供充足的设施料，状态良好的设备以及必要的技术

指导。谁违反合同就处罚谁，改变只约束作业队的“单

方合同”。并实行合同价与工期指标挂钩，组织劳动竞

赛等活动，充分调动作业层的积极性和主动性。确保劳

动工效提高20-30%。

3.2.2劳动力保证

依据本工程的特点，与劳务队伍签订施工人员保证合

11

-

同，同时与公司其他劳务分包商签订补充劳务合同，作

为劳动力储备。一旦出现劳务队人员不能满足施工要求

，立刻限期补充，如不能及时补充，项目部将执行与其

他劳务分包商签订的补充劳务合同，以此补充劳动力原

劳务队进行严厉处罚。

3.2.3施工技术保证

3.2.3.1

加强技术管理工作，精心组织施工，合理安排好施工程

序和流水作业，加快施工进度，缩短施工周期。

3.2.3.2

科学地制订施工进度网络计划，强化计划管理，加强日

进度计划控制、旬进度计划检查和月进度计划考核，以

日进度促进旬进度，以旬进度保证月进度，以月进度确

保总工期的实现。

3.2.3.3

认真进行图纸预审和参加图纸会审，与设计单位加强联

系和沟通，抓好设计变更的落实工作。

3.2.3.4

在整个工程施工阶段合理组织立体交叉作业，充分利用

场地、空间，加快施工进度。

3.2.3.5

充分利用技术、新工艺等科技手段，加快施工进度。

12

-

3.2.3.6

科学地制订季节性施工方案，合理安排冬雨季施工期内

的工作内容，采取切实可行的有效措施确保产品质量，

使工程持续和均衡进行，促进工程进度。

3.2.3.7

积极作好各种影响施工进度因素的预防工作，如停水、

停电、风、雨天等，采取各种积极有效的措施和手段，

如配备发电机、

蓄水箱、防雨布等，把不利因素降到最低。

3.2.4机械保证

3.2.4.1

充分利用机械化程度高的有利条件，配备适宜的施工机

械，减轻劳动强度，提高工作效率。

3.2.4.2

加强施工机械、设备和设施料的配备、维修工作，充分

保证施工进度的需要。

3.2.5资金保证

3.2.5.1

本工程项目资金全部专款专用，确保施工中各项费用开

支。

3.2.5.2

施工期内如建设单位资金一时发生缺口，内部银行及时

13

-

给予适当解决，满足工程进度需要。

3.2.6物资保证

3.2.6.1

机械物资保障部积极协助项目部做好各种物资的供应工

作。

3.2.6.2

项目部保障部按施工预算和工程进度及时编制物资用量

计划并组织采购和进场。及时对进场物资进行验收和质

量验证，保证合格物资投入施工。

3.2.7后勤工作保证

3.2.7.1

做好职工思想教育工作，关心群众生活，提高食堂饭菜

质量，夏季做好防署降温工作，及时供应茶水、饮料和

绿豆汤、冬季做好职工宿舍的保温取暖工作。

3.2.7.2

搞好现场文明施工，做好工地宣传和开展各种娱乐活动

同，创造良好的的工作和生活环境，增强职工的凝聚力

，形成一个团结、紧张、奋发向上的工作局面。

3.2.7.3

开展劳动竞赛，建立奖励制度，精神鼓励与物资奖励相

结合，激励施工管理人员和操作工人的生产劳动积极性

。

14

-

3.3施工总进度计划图

施工总进度控制计划详见施工进度网络图。

第四章施工方案

根据工程概况，平面布置，施工组织机构，在充足劳

动资源的基础上，将招标文件要求的实质性文字说明叙

述如下：

（一）设备人员动员周期和人员、材料运到施工现场

的方法

1、设备人员动员周期：一旦接到中标通知书，立即进

行人员设备的动员和调遣工作。3天内派项目经理部的主

要负责人进驻工地，与监理、业主接洽，详细勘察、了

解沿线及场地情况，安排落实施工用地，着手水、电、

路三通准备工作，对料场、预制场及机械停置场进行硬

化。

按照施工工序的先后，组织相应机械同期进驻工地，

做到“三通一平”，保证线位恢复、原材料试验、砼配

合比设计、人员进场同步进行。

设备人员动员周期5天，其中主要工程机械和人员动员

15

-

周期控制在3天之内。

2、设备、人员、材料运到施工现场的方法：大型机械

设备如压路机、发电机组设备采用平板车运输，自卸汽

车、吊车、洒水车等适合于公路行驶的设备，直接开往

工地。其它小型机具及施工设备采用汽车运输。

主要材料如钢材、水泥等直接送货到场，碎石、砂等

地材从当地料场采购，自卸汽车运到现场。汽油、柴油

等其它材料在就地购买送往工地。

（二）施工准备工作

1、临时设施

（1）临时房屋：经理部拟设在道路旁，施工队部分考

虑租住当地住房。

（2）临时用电：充分利用沿线已有电力资源，架设拌

和场专用线路，用电率考虑70%。配备发电机组3套，工

程自备用电率考虑30%。

（3）临时通讯中国诗词大会第三季第一场 ：因沿线通讯设施较好，可采用安装电

话解决通讯问题。施工中配备对讲机加强联系。

（三）各分项工程的施工顺序及施工要点

1、路基填方

①施工顺序

填土：测量放样—（场地、地表）清理—翻松—

填前碾压—检查验收—纵横向取料—分层摊铺—

推土机整平—洒水—碾压成型—检查验收压实度—

合格进入下层施工。

②施工要点

a、路基施工设计困难，挖掘机、推土机考虑大吨位履

带式设备，压实设备应考虑双轮驱动振动压实设备，

并作好土工实验。

b、取料、弃土场地因运输困难，应根据设计文件就近

选择。

16

-

c、应翻松30cm，进行填前碾压。

d、严格控制层厚，填土不大于30cm。

e、做好临时排水设施，为保证压实度填筑宽度应两侧

多填50cm。

2、路基挖方

测量放样—路基开挖—路床整理—

大于120马力推土机稳压—振动压力机碾压—边坡防护

—路基封闭—检查验收。

3、涵洞

（1）施工顺序：

施工放样—挖基—基底处理—混凝土基础—安管—

管缝处理—混凝土管座—防水沥青—涵背填料及夯实—

涵顶填土。

（2）施工要点：

①基底夯实，墙后回填料密实，避免不均匀沉降。

②混凝土强度达到75%以上方可进行路基填土。

③涵管安装时要位置要准确，不得碰掉棱角。

（四）主要工程项目的施工方案

1、路基土石方工程施工方案

本标段全长775.136m,该段路基土方施工安排一个作

业队，按顺序进行施工。

（1）基准点、导线点、水准点复测

测量人员组织对设计单位、监理单位所交基准点、导

线点、水准点进行全面复测，整理出复测结果并报监理

工程师审批，以获取第一资料。

（2）对全线原地面纵、横断面复测

复测完成后，根据监理工程师审批结果，开展对原地

面的纵、横断面进行测量，并将测量成果报监理工程师

审批复核。

（3）场地清理

17

-

①测量放样，确定清理范围。对清理范围内的清理工

程量、挖除、砍伐树木数量，造表统计，请监理工程师

验收认可后，再进行清理，挖除及砍伐。

②对清理的草皮、垃圾、腐殖土现场堆积，然后按照

招标文件要求或监理工程师的指令，运离施工现场。对

砍伐的树木按招标文件要求或监理工程师指令堆放整齐

，验收数量后报业主单位。

③对不同的地段，采用不同的清理方式，对能够进行

机械施工的，采用机械清理，对陡坡、局部小坑机械不

能清理的采用人工清理，清理结果，要达到招标文件和

监理工程师要求为至。

④填土碾压。清理工作完成后，通知监理工程师进行

验收

（4）路基填方施工

路基填方将按以下方法来完成。

①首先根据招标文件及监理工程师要求，由技术部牵

头，中心试验室、安全质量部配合，完成土质分析试验

报告，确定土质的最佳含水量及击实报告。

②修试验路段。由技术部牵头，工程部、安全质检部

、中心试验室、路基土方施工队配合，按监理工程师要

求完成一段试验路修筑，确定路基施工中的各种技术参

数，试验路修筑完成后，总结成报告，报监理工程师审

批，再进行路基填方的大面积施工。

③零填挖地段。对于零填挖地估的施工，对于含水量

接近最佳含水量的地段，可直接翻松整平，然后进行碾

压；对于含水量偏大的，可采用换土的方法进行碾压，

总之，对零填挖地段，可视具体情况确定其施工方案。

④填方路基，本合同段土方工程以路基填方为主，为

了搞好此项工作，我经理部要求：技术部、工程部、安

全质检部、中心试验室全力配合路基土方施工队，严把

18

-

质量关，共同搞好路基填方工作。

A、选择好填方路基的土源

土源质量的好坏，直接决定着路基的质量，我们将按

照招标文件所指明的土场，逐一进行试验，以确定最佳

土源。保证路基施工的原材料没有质量问题。

B、确定施工人员最佳组合

施工人员组合的好坏，是关系到路基填方质量的一个

重要方面，因此我们考虑在路基土方施工队人员基础上

，委派工程部、质检部、中心试验室各一人到路基土方

施工队加强管理，及时发现问题，解决问题，使问题在

萌芽状态得以消除。

C、机械配制

机械是做好路基填方工作的主要工具，为了搞好路基

填方工作，保证路基压实效果和质量，我们将以我单位

最新、最好的设备予以投入。对用于填方路基需要的压

路机、推土机、平地机、运输车辆，我单位将全力支持

，在保证质量的前提下，按合同工期按时完成。

D、填土施工方法

严格按路基试验路段总结的各项技术参数及监理工程

师要求进行施工，并按以下步骤逐段逐层进行。

a、准确放样中线、边线、测量每层标高。

b、按照换算结果，运输车辆排开卸土，避免造成卸土

过密。

c、推土机打开卸土并初平。

d、测量松铺厚度，推土机精平。

e、光轮压路机初压。

f、振动压路机终压。

压路机碾压时按照先两边后中间，先轻后重，先慢后

快的原则进行。

g、试验人员按质量评定标准进行试验自检,并将自检

19

-

结果报监理工程师审批。

h、邀请监理工程师抽检，抽检合格再进行下层施工，

否则，进行补压，直到监理工程师认为合格，再进行下

一层施工。

i、资料整理并保存。

⑤土方路基填筑：

路堤填料分层平行摊铺，且每层的压实厚度不宜大于2

0cm。在填筑前，应对填料进行各项试验，以确定填料的

最佳含水量和压实度，并在路基填筑前，应根据监理工

程师的指示现场确定铺筑长度不小于100m路幅全宽的试

验路段，以确定设备的选择、工序、压实遍数、行进速

度以及能够压实的有效厚度。

各层的铺筑和整平使用平地机在每层压实前进行整平

作业，以保证均匀的压实度。土方压实采用拖式振动羊

角碾压（激振力在40T以上），辅助平滚压路机一台（激

振力20T）。

首先，用于路堤填筑的材料不应含有杂物或其他有害

物质，路基填筑前应取土试验，其强度和粒径应符合设

计要求，当达不到要求时，可采取掺石灰固化材料处理

，掺入量通过试验确定。

路基填筑前，填方材料应按JTJ051-

93标准方法进行颗粒分析、液限和塑限、有机质含量、C

BR和击实试验，进行击实试验时，用重型击实法确定土

的最大干密度和最佳含水量。

路基填筑时，当填土高度低于1.0m时对原地表清理与掘

除之后的土质基底应将表面翻松深30cm；当填土高度大

于1.0m时，对于土质基底应将原地面整平压实到无轮迹

时方可填筑。

填筑时，应均匀的把填料摊铺在整个宽度上，在压实前

应先整平，并作2-

20

-

4%的横坡，碾压时，振动压路机前后两次轮迹须重叠40-

50cm，前后相邻西两区段纵向重叠1.2-

1.5m，并应达到无漏压、无死角，确保碾压均匀。压实

后的土方压实度应不小于95%，按JTJ051-

93重型击实法进行检验，直至达到规范要求。

在路基填筑同时，我们将作好整个路基排水工作，做到

路基表面无积水，排水畅通。

（5）路基挖方施工

①路基挖方施工步骤

本合同段路基挖方工程量较小，但为了搞好路基挖方施

工，我们准备采用以下步骤进行。

A、准确放出公路中线，并每50m精确测出地面横断面

线，根据招标文件要求计算出挖方开挖边界线，以避免

造成多挖或少挖。

B、将上述放线结果报监理工程师批准后方可进行开挖

，对于开挖高度及工程量较小的，可采用全断面同时开

挖方式进行。

C、做好挖方中利用调配计划，对于不能利用的按招标

文件及监理工程师要求进行废弃，并要求平整复耕。

D、刷边坡，要求挖方在进行的同时，人工配合机械刷

边坡，做到一次过手，决不返工。

E、做好开挖中的防排水设施。开挖线以外，人工修筑

挡墙，高度不小于0.3m，宽度不小于0.5m。开挖路槽内

两侧设排水沟，并在适易地段设积水坑，以便将降雨汇

积一处，天放晴后及时排走。

F、当标高挖至路床标高时，先用推土机初平，再用平

地机精平，如果含水量合适，可直接将路床标高下30cm

翻松用压路机分两层碾压达到路床设计标高，如果含水

量偏大，可适当翻松晾至含水量稍大于最佳含水量再进

行碾压。

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-

G、压实度检测。碾压成型后，要对路槽压实度进行检

测，合格后方能交验。首先由试验人员自检，并将自检

结果报监理工程师，然后由监理工程师抽检。原则上压

实必须一次合格，不能返工。

②路基土方开挖：

A、施工工序：施工放样—挖掘机就位挖装—

自卸车运输—路槽翻松压实—人工修整边坡。

B、工序要点：开挖过程中，应注意不松动边坡，避免

破坏边坡稳定性。场内排水应畅通。。

3、石灰土底基层的施工方案和施工方法

经过认真分析和研究，对石灰土底基层决定采用路拌

法施工，成立一个底基层施工队，负责底基层的施工。

A、材料要求

土、灰除满足规范要求外，施工中控制点为：

（1）石灰应符合Ⅲ级以上标准，石灰在使用前10天

充分消解，并过筛（10MM筛孔）；

（2）消石灰存放时间宜控制在2个月以内；

（3）一个作业段内采用土质相同的土（击实标准和灰

剂量相同），以便对压实度进行准确控制。

B、准备下承层

（1）石灰土施工前，应对路槽进行严格验收，验收内容

除包括压实度、弯沉、宽度、标高、横坡度、平整度等

项目外，还必须进行碾压检

22

-

验，即在各项指标都合格的路槽上，用18-

21T压路机连续碾压2遍，碾压过程中，若发现土过干、

表层松散，应适当洒水继续碾压；如土过湿、发生翻浆

、软弹现象，应采用挖开晾晒、换土、外掺剂等措施处

理。路基必须达到表面平整、坚实，没有松散和软弱点

，边沿顺直，路肩平整、整齐。

（2）按要求设置路面施工控制桩。

C、备土、铺土

用于石灰土的土必须符合规范要求，不含树皮、草根等

杂物。备土前要用土培好路肩，路肩应同结构层等厚。

备、铺土分两种方法：

（1）用汽车直接堆方备土

按照每平米的松土用量及每车的运土量，用石灰粉标出

每车的卸土位置（划出方格），直接整齐地卸土于路槽

上。但须注意备土时纵向必须成行，每车的运土量要基

本准确，同一作业段内土质基本均匀一致。该方法有利

于机械化施工，但备土数量不易准确控制。铺土时，先

用推土机大致推土，然后放样用平地机整平，清余补缺

23

-

，保证厚度一致，表面平整。

（2）码条备土

用拖拉机等小型机械备土可采用此方法。

按照每延米的松土用量，分两条成梯形状均匀地码条于

路槽上，用卡尺逐段验收备土数量。

备土时应在备土位置用石灰粉标出两条标线（码条的

边沿位置），保证备土顺直，码条应均匀、数量准确。

铺土时可直接用平地机均匀地将土铺开，保证表面平整

、厚度一致。此备土法数量控制准确、摊土方便。

D、备灰、铺灰

备灰前，用压路机对铺开的松土碾压1~2遍，保证备灰时

不产生大的车辙，严禁重车在作业段内调头。

备灰前应根据灰剂量、不同含水量情况下的石灰松方

干容重及石灰土最大干容重计算每延米的石灰用量。

根据计算出的每延米石灰的松方用量，分两条成梯形

状均匀地码条备灰，并用卡尺逐段验收数量，不准用汽

车直接大堆备灰。备灰前应事先在灰条位置标出两条灰

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-

线，以确保灰条顺直。铺灰前应在灰土的边沿打出标线

，然后将石灰均匀地铺撒在标线范围内，铺灰应用人工

撒铺。

E、拌和

采用灰土拌和机拌和，铧犁作为附助设备配合拌和。

（1）土的含水量小，应首先用铧犁翻拌一遍，使

石灰置于中、下层，然后洒水补充水份，并用铧犁继续

翻拌，使水份分布均匀。考虑拌和、整平过程中的水份

损失，含水量适当大些（根据气候及拌和整平时间长短

确定），土的含水量过大，用铧犁进行翻拌凉晒。

（2）水份合适后，用平地机粗平一遍，然后用灰土

拌和机拌和第一遍。拌和时要指派专人跟机进行挖验，

每间隔5~10米挖验一处，检查拌和是否到底。对于拌和

不到底的段落，及时提醒拌和机司机返回重新拌和。

（3）桥头两端在备土时应留出2米空间，将土摊

入附近，拌和时先横向拌和两个单程，再进行纵向拌

和，以确保桥头处灰土拌和均匀。

第二遍拌和前，宜用平地机粗平一遍，然后进行第二遍拌

25

-

和。若土的塑指高，土块不易拌碎，应增加拌和遍数，并

注意下一次拌和前要对已拌和过的灰土进行粗平和压实，

然后拌和，以达到拌和均匀，满足规范要求为准。压实的

密度愈大，对土块的破碎效果愈好，采用此法可达到事半

功倍的目的，否则既使再多增加拌和遍数也收效甚微。拌

和时拌和机各行程间的搭接宽度不小于10cm。对于桥头处

拌和同样采用先横向拌和2个单程，再进行纵向拌和。

F、整平

用平地机，结合少量人工整平。

（1）灰土拌和符合要求后，用平地机粗平一遍，消除

拌和产生的土坎、波浪、沟槽等，使表面大致平整。

（2）用震动压路机或轮胎压路机稳压1~2遍。

（3）利用控制桩用水平仪或挂线放样，石灰粉作出标

记，样点分布密度视平地机司机水平确定。

（4）平地机由外侧起向内侧进行刮平。

（5）重复（3）~（4）步骤直至标高和平整度满足要求为

止。灰土接头、桥头、边沿等平地机无法正常作业的地方

，应由人工完成清理、平整工作。

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（6）整平时多余的灰土不准废弃于边坡上。

（7）要点提示

最后一遍整平前，宜用洒水车喷洒一遍水，以

补充表层水份，有利于表层碾压成型。

最后一遍整平时平地机应“带土”作业。

切忌薄层找补。

备土、备灰要适当考虑富余量，整平时宁刮勿补。

G、碾压

碾压采用振动式压路机和18~21三轮静态压路机联合完成。

（1）整平完成后，首先用振动压路机由路边沿起向路

中心碾压（超高段自内侧向外层碾压），有超高段落由内

侧起向外侧碾压，碾压采用大摆轴法，即全轮错位，搭接

15~20厘米，用此法震压6~8遍，下层压实度满足要求后，

改用三轮压路机低速1/2错轮碾压2~3遍，消除轮迹，达到

表面平整、光洁、边沿顺直。路肩要同路面一起碾压。

（2）要点提示

碾压必须连续完成，中途不得停顿。

压路机应足量，以减少碾压成型时间，合理配备

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为振动压路机1~2台，三轮压路机2~3台。

碾压过程中应行走顺直，低速行驶。

桥头处10米范围内横向碾压。

H、检验

（1）

试验员应盯在施工现场，完成碾压遍数后，立即取样检验

压实度（要及时拿出试验结果），压实不足要立即补压，

直到满足压实要求为止。

（2）

成型后的两日内完成平整度、标高、横坡度、宽度、厚度

检验，检验不合格要求采取措施预以处理。

（3）要点提示

翻浆、轮迹明显、表面松散、起皮严重、土块超

标等有外观缺陷的不准验收，应彻底处理。

标高不合适的，高出部分用平地机刮除，低下的

部分不准贴补，标高合格率不低于85%，实行左

中右三条线控制标高。

压实度、强度必须全部满足要求，否则应返工处理

。

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I、接头处理

碾压完毕的石灰土的端头应立即将拌和不均，或标高

误差大,或平整度不好的部分挂线重直切除，保持接头处

顺直、整齐。

下一作业段与之衔接处，铺土及拌和应空出2米，待整平

时再按松铺厚度整平。

桥头处亦按上述方法处理，铺土及拌和应空出2米

，先横拌2遍再纵拌，待整平时再按松铺厚度整平。

J、养生

不能及时覆盖上层结构层的灰土，养生期不少于7

天，采用洒水养生法，养生期间要保持灰土表面经常

湿润。养生期内应封闭交通，除洒水车外禁止一切车

辆通行。有条件的、对7天强度确有把握的，灰土完成

后经验收合格，即可进行下道工序施工，可缩短养生

期；但一旦发现灰土强度不合格，则需返工处理。

4、石灰土碎石基层的施工方案和施工方法

石灰土碎石计划用场拌法施工，由基层施工队负责全

标段的基层施工。

A、材料要求

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