PENGARUH KONSENTRASI DOPING DAN FRAKSI MOL GERMANIUM PADA BASIS TRANSISTOR BIPOLAR HETEROJUNCTION SILIKON-GERMANIUM

(1)

JETri,

Volume 1, Nomor 1, Agustus 2001, Halaman 45-56, ISSN 1412-0372

PENGARUH KONSENTRASI DOPING DAN FRAKSI

MOL GERMANIUM PADA BASIS TRANSISTOR

BIPOLAR HETEROJUNCTION

SILIKON-GERMANIUM

Gunawan Tjahjadi

Dosen Jurusan Teknik Elektro-FTI, Universitas Trisakti

Abstract

We present an analytical model of base and collector current distribution for SiGe HBT. This model covers some important factors to be well considered in the process of device structure fabrication: bandgap narrowing due to heavy doping and/or the addition of germanium fraction to silicon substrate, effective density of states at conduction and valence band, and diffusion constant. Results have been made indicating the slightly different effects between theoretical and experimental current distribution.

Keywords: Heterojunction Bipolar Transistor /HBT, bandgap narrowing, effective density

of states

1. Pendahuluan

Heterojunction adalah sambungan yang terbentuk jika bahan

semikonduktor yang mempunyai bandgap yang berbeda digabungkan, sedangkan homojunction terbentuk oleh bahan semikonduktor yang mempunyai bandgap yang sama. Dengan demikian transistor bipolar

heterojunction adalah transistor bipolar yang emiter dan basisnya terbuat

dari bahan semikonduktor yang mempunyai bandap yang berbeda. Untuk selanjutnya dalam tulisan ini transistor bipolar heterojunction akan disebut HBT (Heterojunction Bipolar Transistor) sedangkan transistor bipolar

homojunction akan disebut BJT (Bipolar Junction Transistor) karena

transistor bipolar yang telah umum dikenal sebagai BJT mempunyai emiter dan basis yang terbuat dari bahan semikonduktor yang mempunyai bandgap yang sama.

Perbaikan performa transistor bipolar dengan memanfaatkan konsep heterojunction ini pertama kali dikemukakan oleh Shockley dan Kroemer pada tahun 1950-an (Shockley sendiri merupakan pemegang paten untuk heterojunction). Menurut Kroemer penguatan arus HBT dapat diatur oleh perbedaan bandgap antara emiter dan basis. Penguatan arus dapat ditingkatkan dengan menggunakan emiter yang mempunyai bandgap lebar atau basis yang mempunyai bandgap sempit.

(2)

JETri,

Tahun Volume 1, Nomor 1, Agustus 2001, Halaman 45-56, ISSN 1412-0372

Akan tetapi meskipun konsep awal HBT (Heterojunction Bipolar

Transistor) telah disampaikan sekitar lima puluh tahun yang lalu,

implementasinya mengalami keterlambatan karena sulit membuat interface antara material yang tidak sama.

HBT pertama dipublikasikan pada tahun 1970 yang terbuat dari bahan AlGaAs/GaAs (kolom III-V). Setelah itu banyak dipublikasikan HBT lain yang terbuat dari bahan kolom III-V seperti InGaP/GaAs, AlInAs/GaInAs, dan InP/InGaAs.

HBT kolom IV Silikon-Germanium (SiGe) yang pertama dipublikasikan pada 1987 (R.J.E. Hueting, 1997: 2). Bahan SiGe digunakan sebagai basis HBT karena mempunyai bandgap yang lebih kecil dari

bandgap Si yang digunakan sebagai emiter dan kolektor. HBT SiGe

diharapkan dapat bersaing dengan HBT kolom III-V karena kompatibilitasnya dengan proses fabrikasi Si yang telah banyak digunakan dan karena harganya yang lebih murah.

Pada tahun 1995 harga epitaxy SiGe hanya US$ 0.6, sedangkan harga epitaxy GaAs mencapai US$ 2.0 per mm persegi (D.J. Paul, 2001: 1). Dewasa ini telah dapat diperoleh HBT SiGe yang dapat memberikan ft

(unity gain frequency) yang mencapai frekuensi 116 GHz and fmax

(maximum frequency of oscillation) mencapai 150 GHz (E. Kasper, 1993: 79).

Pada penelitian ini akan dibuat model analitis HBT SiGe npn sambungan abrupt. Telah diketahui bahwa jika dua bahan semikonduktor digabungkan, sambungan yang terbentuk dapat berupa sambungan abrupt atau graded. Sambungan abrupt terjadi jika perubahan dari satu bahan ke bahan lainnya terjadi secara tiba-tiba, sedangkan sambungan graded terjadi jika perubahan dari bahan satu ke bahan lainnya terjadi secara perlahan-lahan.

Pada model ini akan diperhitungkan pengaruh penyempitan

bandgap (bandgap narrowing) yang disebabkan oleh konsentrasi doping

yang tinggi, penyempitan bandgap yang disebabkan penambahan Ge pada Si, effective density of state pada pita konduksi dan pita valensi dan konstanta difusi sebagai fungsi konsentrasi doping. Model ini kemudian akan digunakan untuk mempelajari pengaruh pemakaian konsentrasi doping dan fraksi mol Ge yang berbeda-beda pada basis terhadap penguatan arus HBT.

(3)

Gunawan Tjahjadi,Pengaruh Konsentrasi Doping dan Fraksi Mol Germanium pada Basis

2. Struktur Divais

Struktur divais yang akan digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 1.a. dan Tabel 1.

N NAB NDE NDC WE WB WC y Si SiGe Si

Gambar 1.a. Profil emitter, basis dan kolektor

Tabel 1. Struktur divais

Simbol Deskripsi Satuan

NDE

WE

Konsentrasi doping emiter Lebar emiter 5.1017 cm-3 50 nm NAB WB x

Konsentrasi doping basis Lebar basis

Fraksi mol Ge

5.1018 – 1020 cm-3 20 nm

0.15 – 0.25

NDC Konsentrasi doping kolektor 10 17

(4)

JETri,

Emiter dan kolektor terbuat dari Si tipe n, sedangkan basis terbuat dari SiGe tipe p. Konsentrasi doping pada emiter, basis dan kolektor dianggap homogen.

Fraksi mol Ge (x) dibuat tetap disepanjang basis. Struktur ini telah dibuat dengan teknologi RTCVD (Reduced Temperature Chemical Vapor

Deposition) (Matutinovic Krstelj, Zeljka, 1996: 457). Seperti tercantum

pada Tabel 1, pada penelitian ini konsentrasi doping basis akan dibuat bervariasi antara 5.1018 sampai 1020 cm-3. Fraksi mol Ge (x) yang akan digunakan dalam perhitungan adalah 0.15 sampai 0.25.

Skema diagram pita energi (energy band) HBT SiGe diperlihatkan pada Gambar 1.b. Ec,Si Efn qVbi Efp Ev,SiGe Ev Ev,Si

emiter basis kolektor Gambar 1.b. Diagram pita energi HBT

Skema tersebut dibuat dengan asumsi seluruh penyempitan bandgap basis terjadi pada pita valensi (Branimir Pejcinovic, 1989: 2130).

3. Sifat Bahan Semikonduktor

Sifat bahan semikonduktor SiGe dan Si yang digunakan pada pemodelan ini adalah sebagai berikut.

3.1. Model penyempitan bandgap sebagai fungsi konsentrasi doping pada SiGe yang digunakan pada penelitian ini dianggap sama dengan Si yaitu berdasarkan model Slotboom.

Eg,HD(y) = 2 / 1 2 17 17

0 ,

5

10 )

(

ln

10 )

(

ln

0 ,

9 























































N

AB

y

N

AB

y

meV (1)

(5)

yang berlaku untuk x  0.3 dan NAB 1020 cm-3.

3.2. Model penyempitan bandgap sebagai fungsi fraksi mol Ge yang digunakan pada penelitian ini didasarkan pada (R.J.E. Hueting, 1996: 1519).

x

E

_g_,_GE

(

)



0 ,

74 

eV (2)

3.3. Effective density of state didasarkan pada (Matutinovic Krstelj, Zeljka, 1996: 457) 4 , 0 ) ( ) ( ) ( ) (  Si v c SiGe v c N N N N (3) untuk NAB 10 18

cm-3, dengan Nc density of states pada pita konduksi

dan Nc density of states pada pita valensi.

3.4. Koefisien difusi electron

1

) ( ) (



Si n SiGe n

D

(4) dengan

 



₄



0.295 6

10 .

46 ,

1 /

1

10 .

4 )

(

y

N

V

y

D

AB T n





cm2/s pada Si (K.H. Kwok, 1999: 280) dimana:

q

kT

V

T



/

k = konstanta Boltzmann T = temperatur q = muatan elektron

(6)

JETri,

3.5. Konsentrasi pembawa muatan intrinsik pada Si adalah:

10

10 .

45 ,

1 

io

n

cm-3

umur elektron (electron lifetime) pada Si adalah 10-6 s, dan mobilitas

hole pada Si dihitung dengan.

5 . 0 3 17

10

1

350

20 

















cm

N

DE p



cm2/Vs (Matutinovic-Krstelj, Zljka, 1996: 59) 4. MODEL HBT

Model HBT yang akan dibahas pada penelitian ini didasarkan pada persamaan berikut:











B BC BE W i n AB kT qV kT qV n

y

n

y

D

dy

y

N

e

q

J

0 2 / /

)

(

)

(

)

(

(5)

dengan VBE tegangan basis-emiter dan VBC tegangan basis-kolektor.

Jika konsentrasi doping basis homogen yaitu NAB, maka Dn(y)=Dn

dan persamaan (5) dapat dituliskan kembali sebagai











B BC BE W i n AB kT qV kT qV n

y

n

dy

D

N

e

q

J

0 2 / /

)

(

(6)

Untuk konsentrasi doping basis yang homogen, persamaan (1) menghasilkan nilai yang konstan. Demikian pula untuk fraksi mol Ge yang konstan disepanjang basis, persamaan (2) juga menghasilkan nilai yang konstan. Oleh sebab itu konsentrasi pembawa muatan intrinsik pada HBT SiGe adalah suatu nilai yang konstan pula, yaitu sebesar

(7)

Gunawan Tjahjadi,Pengaruh Konsentrasi Doping dan Fraksi Mol Germanium pada Basis kT E E i Si v c SiGe v c SiGe i Ge g HD g e n N N N N n 2₀ ( )/ ) ( ) ( 2 ) ( , , ) ( ) ( _ __  (7)

Dengan demikian persamaan (6) menjadi





B AB kT qV kT qV i n n

W

N

e

n

qD

J

BC BE/ / 2





(8)

Jika dianggap seluruh arus elektron ini sampai pada kolektor maka persamaan arus kolektor pada HBT adalah sebagai berikut :





B AB kT qV kT qV SiGe i SiGe n HBT C

W

N

e

n

qD

J

BC BE/ / 2 ) ( ) ( ) (





(9)

Jika diasumsikan arus basis terdiri dari arus injeksi hole dari basis ke emiter dan arus rekombinasi pada basis yang netral, maka persamaan arus basis pada HBT adalah



qV kT qV kT



AB nB SiGe i B E DE Si i Si p HBT B BC BE _e e N n qW W N n qD J / / 2 ) ( 2 ) ( ) ( ) ( 2 __        



(10)

yang berlaku jika WE lebih kecil dari panjang difusi hole pada emiter (Lp)

dengan L_p  D_p



_p ,

D

_p adalah konstanta difusi hole pada emiter dan

p



adalah umur hole pada emiter. Jika WE lebih besar dari LpE berlaku

















AB nB SiGe i B p DE Si i Si p HBT B

N

n

qW

L

N

n

qD

J



2

2 ) ( 2 ) ( ) ( ) ( x



e

qVBE/kT



e

qVBC /kT



(11)

5. Hasil Simulasi Dan Analisis

Sebelum mempelajari pengaruh perubahan konsentrasi doping penambahan fraksi mol Ge pada basis HBT, lebih dahulu dilakukan validasi model yaitu dengan membandingkan hasil perhitungan dengan hasil

(8)

JETri,

eksperimen untuk struktur divais yang sama. Pada penelitian ini, sebagai pembanding akan digunakan hasil eksperimen King (A. King, 1989: 2096) yang menggunakan struktur divais sebagai berikut : AE=30x30



m2,

NDE=1017cm-3, WE=0.42



m, NAB=7.1018cm-3, WB=20 nm, dan x=0,31.

Hasil validasi diperlihatkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Validasi model dengan hasil eksperimen King

Pada Gambar 2 dapat dilihat bahwa arus basis yang diperoleh pada penelitian ini hampir sama dengan arus basis dari hasil percobaan King. Hal ini menunjukkan bahwa model arus basis yang memperhitungkan injeksi

hole dari basis ke emiter dan rekombinasi pada basis yang netral dapat

memprediksi arus basis dengan baik. Arus kolektor yang diperoleh pada penelitian ini sekitar 3 kali lebih besar dibanding hasil percobaan King. Hal ini disebabkan model HBT yang dibuat hanya untuk divais intrinsik. Pengaruh komponen ekstrinsik dan kontak-kontak yang ada pada divais yang sesungguhnya tidak diperhitungkan. Terjadi perbedaan hasil perhitungan dengan hasil experimen yang cukup besar pada VBE lebih dari

0.55 Volt. Hal ini disebabkan karena pada model tidak dimasukkan pengaruh saturasi kecepatan. Karena penelitian ini hanya bertujuan untuk

0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 VBE (Volt) Ic ,I b ( A ) --- This work - - King Ic Ib

(9)

mempelajari pengaruh perubahan konsentrasi doping basis dan penambahan fraksi mol Ge pada basis, model ini dianggap sudah cukup memadai. Untuk selanjutnya, dalam perhitungan akan digunakan struktur divais yang diperlihatkan pada Tabel 1. Pengaruh perubahan konsentrasi doping basis pada densitas arus kolektor diperlihatkan pada Gambar 3.

Gambar 3. Densitas arus kolektor untuk berbagai harga NAB

Konsentrasi doping basis dibuat bervariasi antara 5.1018 sampai 1020 cm-3. Fraksi mol Ge (x) yang digunakan dalam perhitungan adalah 0.25. Dapat dilihat bahwa semakin tinggi konsentrasi doping basis semakin kecil arus kolektor yang diperoleh. Jadi meskipun terjadi kenaikan konsentrasi pembawa muatan intrinsik pada basis, kenaikan tersebut tidak dapat mengatasi penurunan arus kolektor akibat penambahan konsentrasi doping. Penambahan konsentrasi doping basis dari 5x1018 menjadi 1020 cm-3 menyebabkan penurunan arus kolektor sebanyak 17 kali. Pengaruh perubahan konsentrasi doping basis terhadap densitas arus kolektor diperlihatkan pada Gambar 4. pada halaman berikut. Dari gambar tersebut diketahui bahwa semakin tinggi konsentrasi doping basis semakin kecil arus

0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 VBE (Volt) J c ( A /c m 2) _5x1018 1020

(10)

JETri,

basis. Penurunan arus basis ini disebabkan oleh penurunan arus rekombinasi pada basis untuk konsentrasi doping basis yang lebih tinggi. Dari persamaan (10) diketahui bahwa komponen arus injeksi hole tidak dipengaruhi oleh konsentrasi doping basis.

Penambahan konsentrasi doping basis dari 5x1018 menjadi 1020 cm-3 menyebabkan arus basis menjadi 2 kali lebih kecil.

Gambar 4. Densitas arus basis untuk berbagai harga NAB

Pengaruh perubahan fraksi mol Ge terhadap densitas arus kolektor diperlihatkan pada Gambar 5, sedangkan pengaruhnya terhadap densitas arus basis pada Gambar 6. Dapat dilihat bahwa semakin tinggi fraksi mol Ge yang diberikan, semakin tinggi pula arus kolektor yang dihasilkan. Hal ini disebabkan penambahan fraksi mol Ge akan mengakibatkan peningkatan konsentrasi pembawa muatan intrinsik. Penambahan fraksi mol Ge dari 0.15 menjadi 0.25 menyebabkan peningkatan arus kolektor 17,5 kali.

0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 VBE (Volt) J b ( A /c m 2 ) 5x1018 1020

(11)

Gunawan Tjahjadi,Pengaruh Konsentrasi Doping dan Fraksi Mol Germanium pada Basis 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 VBE (Volt) J b ( A /c m 2) 5x1018 1020

Gambar 5. Densitas arus kolektor untuk berbagai harga fraksi mol Ge

0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 VBE (Volt) Jb ( A /c m 2) x=0.15 x=0.25

(12)

JETri,

Penambahan fraksi mol Ge akan menyebabkan peningkatan arus basis. Hal ini disebabkan karena peningkatan komponen arus rekombinasi pada basis yang netral. Penambahan fraksi mol Ge dari 0.15 menjadi 0.25 akan mengakibatkan peningkatan arus basis sekitar 1,2 kali

6. Kesimpulan

1. Penambahan konsentrasi doping basis dari 5x1018 menjadi 1020 cm-3 menyebabkan penurunan arus kolektor sebanyak 17 kali.

2. Penambahan konsentrasi doping basis dari 5x1018 menjadi 1020 cm-3 menyebabkan arus basis menjadi 2 kali lebih kecil.

3. Penambahan fraksi mol Ge dari 0.15 menjadi 0.25 menyebabkan peningkatan arus kolektor 17,5 kali.

4. Penambahan fraksi mol Ge dari 0.15 menjadi 0.25 akan mengakibatkan peningkatan arus basis sekitar 1,2 kali.

Daftar Pustaka

1. Hueting, R.J.E. 1997. Charge Carrier Transport in Silicon Germanium

Heterojunction Bipolar Transistors, Ph.D. Thesis. Delft University of

Technology.

2. Hueting, R.J.E., dkk. September 1996.On the Optimization of SiGe-Base Bipolar Transistors, IEEE Transaction on Electron Devices.Vol.43, No.9.

3. Kasper E., Gruhle, A., dan Kibbel, H. 1993. High Speed SiGe HBT with

Very Low Base Sheet Resistivity, International Electron Device Meeting

(IEDM).

4. King, C. A, dkk., October 1989. Bandgap and Transport Properties of Si1-xGex by Analysis of Nearly Ideal Si/Si1-xGex/Si Heterojunction

Bipolar Transistors, IEEE Transaction on Electron Devices, Vol. 36 No. 10.

5. Kwok, K.H.1999. Analytical Expression of Base Transit Time for SiGe

HBTs with Retrograde Base Profiles. Solid State Electronics. Vol. 43.

6. Matutinovic-Krstelj, Zeljka, dkk. March 1996. Base Resistance and Effective Bandgap Reduction in n-p-n Si/Si1-xGex/Si HBT’s with Heavy

Base Doping, IEEE Transaction on Electron Devices, Vol. 43, No. 3. 7. Paul, D.J.,n.d. Silicon Germanium Heterostructures in Electronics: The

Present and the Future, accepted to be published in Thin Solid Films.

8. Pejcinovic, Branimir, dkk.. Oktober 1989. Numerical Simulation and Comparison of Si BJT's and Si1-xGex HBT's, IEEE Transaction on