JETri
, Volume 3, Nomor 1, Agustus 2003, Halaman 33-44, ISSN 1412-0372
PENGARUH BENTUK PROFIL GERMANIUM
PADA FREKUENSI CUTOFF HBT SIGE
E. Shintadewi Julian
Dosen Jurusan Teknik Elektro-FTI, Universitas Trisakti
Abstract
The effects of different shape of germanium profiles in the base to the cutoff frequency of Si/SiGe/Si HBTs are analyzed. The shapes of germanium profile in the base are triangles. In the simulations, the effect of bandgap narrowing due to the addition of germanium in the base of the HBT is included. The simulations are done with BIPOLE3V4.2.3.E. The results shows that Ge profiles in the base have influence in the maximum cutoff frequency of the HBTs.
Keywords: SiGe, HBT, hetero junction bipolar transistor, frequency cutoff
1. Pendahuluan
Heterojunction Bipolar Transistor Silikon Germanium (HBT SiGe) adalah transistor bipolar yang basisnya terbuat dari bahan SiGe, sedangkan emiter dan kolektornya terbuat dari Si. Bandgap bahan SiGe ini lebih kecil dari bandgap Si.
Besarnya perbedaan bandgap antara bahan Si dan SiGe tergantung dari jumlah konsentrasi Ge yang ditambahkan pada Si. Semakin tinggi konsentrasi Ge yang ditambahkan semakin kecil bandgap SiGe.
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.
Akan tetapi meskipun konsep awal HBT (Heterojunction Bipolar Transistor) telah disampaikan lebih dari lima puluh tahun yang lalu, implementasinya mengalami keterlambatan karena sulit membuat interface
JETri
, Tahun Volume 3, Nomor 1, Agustus 2003, Halaman 33-44, ISSN 1412-0372
HBT SiGe yang pertama dipublikasikan pada 1987. HBT SiGe diharapkan dapat bersaing dengan HBT kolom III-V (HBT AlGaAs/GaAs, InGaP/GaAs, AlInAs/GaInAs, dan InP/InGaAs) karena kompatibilitasnya dengan proses fabrikasi Si yang telah banyak digunakan dan karena harganya yang lebih murah.
Dewasa ini telah dapat diperoleh HBT SiGe yang dapat memberikan ft (unity gain frequency) yang mencapai frekuensi 210 GHz
(Jeng, 2001) dan fmax (maximum frequency of oscillation) mencapai 285
GHz (Jagannathan, 2002:285).
Teknologi epitaksi SiGe modern seperti MBE (Molecular Beam Epitaxy), LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition), dan UHV/CVD (Ultra High Vacuum CVD) sangat mungkin digunakan untuk menghasilkan divais yang sangat tipis dengan berbagai jenis doping dan profil Ge.
Pengaruh profil Ge segiempat, segitiga, dan trapesium terhadap penguatan arus dan waktu transit basis telah banyak dipublikasikan antara lain pada (Shintadewi, 2001: MD-15).
Pada penelitian ini dilakukan analisis pengaruh bentuk profil Ge terhadap frekuensi cutoff ft (transit frequency) maksimum. Analisis
dilakukan dengan bantuan program simulasi divais BIPOLE3V4.2.3.E (Roulston, 2000: 1).
Pada simulasi yang dilakukan, parameter fisika bahan SiGe yang dianggap sama dengan Si antara lain mobilitas elektron dan hol, penyempitan bandgap (bandgap narrowing) akibat konsentrasi doping yang tinggi, umur elektron dan umur hol.
Satu-satunya parameter fisika SiGe yang berbeda dari Si adalah pada bahan SiGe terdapat penyempitan bandgap yang disebabkan penambahan Ge pada Si.
2. Sifat Fisika Bahan SiGe
Konstanta lattice SiGe berbanding lurus dengan persentase Ge yang ada pada campuran tersebut. Nilainya terletak antara konstanta lattice Si (0.54307 nm) dan Ge (0.56575 nm). Jika lapisan SiGe (konstanta lattice
E Shintadewi Julian, Pengaruh Bentuk Profil Germanium Pada Frekuensi Cutoff HBT SiGe
maka lapisan SiGe akan mengalami tekanan (strain) sehingga disebut lapisan SiGe strained atau pseudomorphic. Tekanan ini mempengaruhi struktur pita energi dan dengan demikian juga mempengaruhi sifat transportasi lapisan SiGe.
Jika lapisan SiGe yang ditumbuhkan melebihi ketebalan tertentu yang disebut ketebalan kritis (critical thickness) maka diperoleh lapisan SiGe unstrained atau relaxed yang mempunyai sifat berbeda dari lapisan SiGe strained.
Dari eksperimen diketahui bahwa ketebalan kritis lapisan SiGe dipengaruhi oleh temperatur penumbuhan, kecepatan penumbuhan, dan adanya lapisan penutup (cap layer) Si di atas lapisan SiGe. Ada berbagai konsep yang dikemukakan untuk menentukan ketebalan kritis SiGe antara lain oleh van der Merwe, Matthews – Blakeslee, People – Bean.
Ketebalan kritis SiGe sebagai fungsi persentase Ge beserta hasil eksperimen Bean dkk., Kohama dkk., dan King dkk., yang dirangkum oleh J. S. Yuan (Yuan, 1999: 17) diperlihatkan pada Gambar 1.
JETri
, Tahun Volume 3, Nomor 1, Agustus 2003, Halaman 33-44, ISSN 1412-0372
Telah disebutkan sebelumnya bahwa strain mempengaruhi struktur pita energi. Pada bahan SiGe, penambahan Ge pada Si menyebabkan terjadinya penyempitan bandgap. Besarnya penyempitan bandgap
dipengaruhi oleh banyaknya fraksi Ge yang digunakan:
x
E
g,Ge
0
.
74
(1)dengan
E
g,Ge penyempitan celah pita energi, dan x persentase Ge. Persamaan (1) berlaku untuk persentase Ge kecil.3. Frekuensi cutoff
Frekuensi cutoff ft merupakan suatu ukuran untuk menyatakan
kinerja transistor dan didefinisikan sebagai frekuensi pada saat penguatan arus CE (common emitter) sama dengan satu (Sze, 1981: 158).
Frekuensi cutoff dapat dihubungkan dengan struktur transistor, yaitu melalui waktu tunda dari emiter ke kolektor EC . Hubungan antara
frekuensi cutoff dan waktu tunda adalah:
ec t f
2 1 (2)Waktu tunda total ec pada arah vertikal transistor bipolar
merupakan penjumlahan komponen waktu tunda pada setiap bagian dari transistor, yaitu waktu tunda pada emiter, e-b scr (emitter-base space charge region), basis, b-c scr (base-collector space charge region) dan kolektor.
4. Proses Simulasi
Profil doping dan dimensi divais pada arah vertikal yang digunakan pada penelitian ini diperlihatkan pada Gambar 2. Profil doping dan dimensi divais tersebut sama dengan divais yang difabrikasi oleh IBM (Harame, 1995: 458).
HBT SiGe tersebut mempunyai lebar basis WB 82 nm. Sambungan
E Shintadewi Julian, Pengaruh Bentuk Profil Germanium Pada Frekuensi Cutoff HBT SiGe 1e+015 1e+016 1e+017 1e+018 1e+019 1e+020 1e+021 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 N et Doping (cm -3) Depth (microns)
Depth (microns)
Gambar 2. Konsentrasi doping dan dimensi vertikal transistor Profil Ge pada basis yang diamati pada penelitian ini berbentuk segitiga dengan berbagai variasi posisi awal dan puncak profil Ge. Bentuk profil Ge pada basis diperlihatkan pada Gambar 3a dan 3b.
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0 0.05 0.1 0.15 0.2 G e fr a ct io n Depth (microns) ISIGE1 Ge Fraction ISIGE1A Ge Fraction KIBM24D Ge Fraction Depth (microns)
JETri
, Tahun Volume 3, Nomor 1, Agustus 2003, Halaman 33-44, ISSN 1412-0372
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0 0.05 0.1 0.15 0.2 G e f ra c ti o n Depth (microns) ISIGE2 Ge Fraction ISIGE2A Ge Fraction ISIGE3 Ge FractionGambar 3b. Variasi puncak profil Ge pada basis
Tebal lapisan SiGe berkisar antara 110 – 120 nm, yang berada di bawah batas ketebalan kritis People – Bean (Gambar 1.).
5. Hasil simulasi dan analisis
Pengaruh variasi posisi awal profil Ge terhadap frekuensi cutoff
diperlihatkan pada Gambar 4 dan Tabel 1, sedangkan komponen waktu tunda pada saat ftmax disajikan pada Tabel 2. Dapat dilihat bahwa profil Ge KIBM24D menghasilkan frekuensi cutoff tertinggi yaitu 36.8 GHz. Perbedaan harga frekuensi cutoff ini terutama disebabkan waktu tunda pada emiter netral dan pada daerah scr (space charge region) KIBM24D lebih rendah dibanding profil Ge lainnya. Rendahnya waktu tunda pada emiter netral dan daerah scr ini disebabkan karena profil Ge KIBM24D
E Shintadewi Julian, Pengaruh Bentuk Profil Germanium Pada Frekuensi Cutoff HBT SiGe
menghasilkan arus kolektor lebih besar dari profil divais lainnya (penguatan arus lebih besar jika arus basis sama).
Besarnya arus kolektor dipengaruhi oleh besarnya persentase Ge pada sambungan e-b. Semakin tinggi persentase Ge pada sambungan e-b, semakin besar arus kolektor yang dihasilkan. Profil Ge ISIGE1 dan ISIGE1A menghasilkan frekuensi cutoff yang sama.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1e-005
0.0001
0.001
0.01
Ft ( G H z )Ic (Amp)
ISIGE1 Ft
ISIGE1A Ft
KIBM24D Ft
JETri
, Tahun Volume 3, Nomor 1, Agustus 2003, Halaman 33-44, ISSN 1412-0372
Tabel 1. Variasi awal profil Ge dan pengaruhnya pada ftmax
Profil Ge (m) pada Ftmax Ftmax (GHz)
ISIGE1 107 35.4
ISIGE1A 97 35.3
KIBM24D 118 36.8
Tabel 2. Variasi awal profil Ge dan pengaruhnya pada waktu tunda
Waktu tunda (detik) ISIGE1 ISIGE1A KIBM24D
TRE 0.71E-12 0.75E-12 0.66E-12
TQBE 0.65E-12 0.62E-12 0.57E-12
TEM 0.37E-12 0.37E-12 0.31E-12
TBASE 0.87E-12 0.84E-12 0.93E-12
TSCL 0.74E-12 0.73E-12 0.73E-12
TRC 0.81E-13 0.83E-13 0.82E-13
Keterangan:
Waktu tunda pada Tabel 2 adalah waktu tunda pada saat ftmax. 1) TEM adalah waktu tunda pada emiter netral,
2) TRE adalah waktu tunda yang disebabkan perkalian kapasitansi lapisan deplesi dengan resistansi difusi.
3) TQBE adalah waktu tunda yang disebabkan excess charge pada scr, 4) TBASE adalah waktu tunda pada basis netral,
E Shintadewi Julian, Pengaruh Bentuk Profil Germanium Pada Frekuensi Cutoff HBT SiGe
5) TRC adalah waktu tunda yang disebabkan perkalian kapasitansi kolektor dengan resistansi kolektor,
6) TSCL adalah waktu tunda yang disebabkan oleh muatan bebas pada c-b scr.
Pengaruh variasi puncak profil Ge terhadap frekuensi cutoff
diperlihatkan pada Gambar 5. dan Tabel 3.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1e-005
0.0001
0.001
0.01
Ft ( G H z )Ic (Amp)
ISIGE2 Ft
ISIGE2A Ft
ISIGE3 Ft
JETri
, Tahun Volume 3, Nomor 1, Agustus 2003, Halaman 33-44, ISSN 1412-0372
Tabel 3. Variasi puncak profil Ge dan pengaruhnya pada ftmax
Profil Ge (m) pada Ftmax Ftmax (GHz)
ISIGE2A 122 36.6
ISIGE2 106 34.7
ISIGE3 99 33.7
Sedangkan komponen waktu tunda pada saat ftmax disajikan pada Tabel 4. Dapat dilihat bahwa profil Ge ISIGE2A menghasilkan frekuensi
cutoff tertinggi yaitu 36.6 GHz.
Tabel 4. Variasi puncak profil Ge dan pengaruhnya waktu tunda
Waktu tunda (detik) ISIGE2A ISIGE2 ISIGE3
TRE 0.65E-12 0.74E-12 0.80E-12
TQBE 0.56E-12 0.65E-12 0.70E-12
TEM 0.30E-12 0.35E-12 0.37E-12
TBASE 0.96E-12 0.93E-12 0.95E-12
TSCL 0.74E-12 0.73E-12 0.72E-12
TRC 0.80E-13 0.83E-13 0.84E-13
Keterangan:
E Shintadewi Julian, Pengaruh Bentuk Profil Germanium Pada Frekuensi Cutoff HBT SiGe
Perbedaan harga frekuensi cutoff ini terutama disebabkan waktu tunda pada emiter netral dan pada daerah scr (space charge region) lebih rendah dari ISIGE2 dan ISIGE3. Rendahnya waktu tunda pada emiter netral dan daerah scr ini disebabkan karena profil Ge ISIGE2A menghasilkan arus kolektor lebih besar dari profil divais lainnya.
Dapat dilihat pada Tabel 4 bahwa semakin dekat puncak profil Ge pada sambungan b-c semakin besar waktu tunda yang dihasilkan, sehingga semakin rendah frekuensi cutoff yang dihasilkan.
Dari pembahasan di atas, dapat dilihat bahwa bentuk profil Ge turut mempengaruhi frekuensi cutoff HBT SiGe. Oleh sebab itu untuk hendaknya profil Ge pada basis HBT SiGe dirancang sedemikian rupa agar dapat menghasilkan divais dengan unjuk kerja yang baik.
6. Kesimpulan
Dari penelitian yang dilakukan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut.
1. Persentase Ge pada sambungan e-b mempengaruhi besarnya arus kolektor yang dihasilkan oleh HBT SiGe. Arus kolektor mempengaruhi waktu tunda pada HBT SiGe, dengan demikian juga mempengaruhi frekuensi cutoff yang dihasilkan.
2. Letak puncak profil Ge mempengaruhi frekuensi cutoff yang dihasilkan. Semakin dekat puncak profil Ge pada sambungan e-b semakin tinggi waktu tunda yang dihasilkan, dengan demikian semakin rendah frekuensi cutoffnya.
Daftar Pustaka
1. Harame, D. L., dkk.. Maret 1995. Si/SiGe Epitaxial Base Transistors – Part I: Materials, Physics, and Circuits. IEEE Transaction on Electron Devices: Vol. 42, No. 3, hlm 458.
2. Jagannathan, B., Khater, M., Pagette, F., dkk. May 2002. Self Aligned SiGe NPN Transistor with 285 GHz fmax and 207 GHz ft in a Manufacturable Technology. IEEE Electron Device Letters: Vol. 23, hlm. 258 - 260.
3. Jeng, S.J., Jagannathan, B. & Rieh, J.S., dkk. Nov. 2001. A 210 GHz ft SiGe HBT With a Non Self Aligned Structure. IEEE Electron Device Letters: Vol. 22, hlm. 542 – 544.
JETri
, Tahun Volume 3, Nomor 1, Agustus 2003, Halaman 33-44, ISSN 1412-0372
5. Shintadewi Julian & Djoko Hartanto. 2001. Collector Current and Base Transit Time Model for SiGe HBT with Graded Ge Profile.
Disertasi tidak diterbitkan. Konferensi CECI, Jakarta
6. Sze, S.M. 1981. Physics of Semiconductors Devices. 2nd edition. New York: John Wiley & Sons, Inc.
7. Yuan, J. S. 1999. SiGe, GaAs, and InP Heterojunction Bipolar Transistors. New York: John Wiley & Sons, Inc.
