JETri,
Volume 1, Nomor 2, Februari 2002, Halaman 41-48, ISSN 1412-0372PROFIL GERMANIUM SEGIEMPAT
PADA TRANSISTOR BIPOLAR
SILIKON-GERMANIUM
E. Shintadewi Julian
Dosen Jurusan Teknik Elektro-FTI, Universitas Trisakti
Abstract
This paper presents a study of the effect of different starting edges position in the base of Si/SiGe/Si HBTs. The germanium profile in the base under study is rectangular. In the simulations, the effect of band gap narrowing due to heavy doping and band gap narrowing due to the addition of germanium in the base of the HBT are included. The simulations are done with BIPOLE3. The results show that the starting edge positions have strong influence in the current gain and maximum transit frequency of the HBTs
Keywords: SiGe, HBT, band gap narrowing, Bipole 3.
1. Pendahuluan
Transistor bipolar heterojunction atau HBT (Heterojunction
Bipolar Transistor) adalah transistor bipolar yang bandgap bahan
semikonduktor emiter dan basisnya berbeda. Pemakaian heterojunction untuk memperbaiki performa transistor bipolar pertama kali dikemukakan oleh Shockley dan Kroemer pada tahun 1950-an. Konsepnya adalah bahwa 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.
Transistor bipolar heterojunction Silikon-Germanium (HBT SiGe) mempunyai basis yang 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. Dengan cara ini dapat diperoleh transistor bipolar yang penguatan arusnya besar.
Keuntungan lain yang dapat diperoleh adalah dengan cara ini konsentrasi doping basis dapat dibuat tinggi dan basis dapat dibuat tipis untuk menghasilkan resistansi basis yang rendah. Resistansi basis yang rendah ini menguntungkan karena dapat memberikan fmax (maximum
JETri,
Tahun Volume 1, Nomor 2, Februari 2002, Halaman 41-48, ISSN 1412-0372Teknologi epitaksi SiGe modern seperti MBE (Molecular Beam
Epitaxy) (Kasper, 1993: 79-81), LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) (Hueting, 1997: 87-90), dan UHV/CVD (Ultra High Vacuum CVD) (Harane, 1995: 455-467) sangat mungkin digunakan untuk
menghasilkan divais yang sangat tipis.
Dengan berbagai jenis doping dan profil komposisi. Pengaruh profil Ge segiempat, segitiga, dan trapesium terhadap kinerja divais telah banyak dibahas (Shintadewi, 2001).
Pada penelitian ini dilakukan studi pengaruh posisi awal profil Ge segiempat pada basis HBT Si/SiGe/Si terhadap kinerja divais, dalam hal ini yang diperhatikan adalah penguatan arus dan ft (transit frequency) maksimum. Studi dilakukan dengan simulasi menggunakan perangkat lunak BIPOLE3 (Roulston, 2000). Dalam simulasi HBT diperhitungkan pengaruh penyempitan bandgap (bandgap narrowing) yang disebabkan oleh konsentrasi doping yang tinggi dan yang disebabkan penambahan Ge pada Si.
2. Sifat Bahan SiGe
Model penyempitan bandgap sebagai fungsi konsentrasi doping pada SiGe yang digunakan pada penelitian ini dianggap sama dengan Si yaitu berdasarkan model Slotboom (Pejanovic, 1989: 2129-2137).
2 / 1 2 17 17 , 5 , 0 10 ) ( ln 10 ) ( ln 0 , 9 ) ( y N y N y EgHD meV (1)
dengan N(y) adalah konsentrasi doping. Persamaan (1) di atas berlaku untuk fraksi mol Ge (x) 0.3 dan N(y) 1020 cm-3. Sedangkan model penyempitan bandgap sebagai fungsi fraksi mol Ge yang digunakan pada penelitian ini berdasarkan (Pejanovic, 1989: 2129-2137) yaitu
x
x
E
g,GE(
)
0
,
74
eV (2)E. Shintadewi Julian, Profil Germanium Segiempat Pada Transistor Bipolar Silikon-Germanium
3. Struktur Divais
Profil doping dan dimensi divais yang digunakan pada penelitian ini didasarkan pada struktur yang digunakan pada (Hueting, 1997: 87-90), seperti diperlihatkan pada Gambar 1.
1e+015 1e+016 1e+017 1e+018 1e+019 1e+020 1e+021 1e+022 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 D op ing con ce nt rat ion cm -3 Depth (microns)
Gambar 1(a) Konsentrasi doping dan dimensi transistor
Konsentrasi doping maksimum pada emiter adalah 2.1018, pada basis 2,2.1018 dan pada subkolektor 1017 cm-3. Sambungan e-b terletak pada kedalaman 0.03 m dan sambungan b-c pada 0.094 m.
Profil Ge pada basis yang diamati pada penelitian ini berbentuk segiempat dengan berbagai variasi posisi awal profil Ge. Bentuk profil Ge pada basis diperlihatkan pada Gambar 2. pada halaman sebelah. Dengan mempertahankan posisi akhir terletak pada subkolektor, posisi awal digeser dari sambungan e-b kearah kolektor sejauh 10 nm, 20 nm, dan 30 nm.
4. Hasil simulasi dan analisis
Pengaruh perubahan posisi awal profil Ge terhadap penguatan arus dan frekuensi transit diperlihatkan pada Tabel 1, Gambar 3 dan 4.
JETri,
Tahun Volume 1, Nomor 2, Februari 2002, Halaman 41-48, ISSN 1412-0372 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 G e f ra ct io n Depth (microns)profil asli, posisi awal di geser Gambar 2. Profil Ge pada basis
Tabel 1. Posisi awal Ge dan pengaruhnya pada dan ft
Posisi awal Ge (m) max Ftmax (GHz) Nama pada gambar 0.030 (1) 664.0 39.4 DELFT2E 0.040 (2) - - - 0.045 (3) 151.0 48.5 DELFT3AB 0.050 (4) 85.6 46.7 DELFT3B 0.060 (5) 76.0 40.0 DELFT3C
E. Shintadewi Julian, Profil Germanium Segiempat Pada Transistor Bipolar Silikon-Germanium
Gambar 3. Kurva penguatan arus () vs arus kolektor (Ic)
Gambar 4. Kurva frekuensi transit (ft) sebagai fungsi arus kolektor (Ic)
0 100 200 300 400 500 600 700
1e-008 1e-007 1e-006 1e-005 0.0001 0.001 0.01
B e ta D c Amp Beta DC vs. Ic DELFT3AB Beta DC DELFT3C Beta DC DELFT3B Beta DC DELFT2E Beta DC 0.01 0.1 1 10 100
1e-008 1e-007 1e-006 1e-005 0.0001 0.001 0.01
G H z Amp Ft vs. Ic DELFT3AB Ft DELFT3C Ft DELFT3B Ft DELFT2E Ft
JETri,
Tahun Volume 1, Nomor 2, Februari 2002, Halaman 41-48, ISSN 1412-0372Pada posisi 1, awal Ge adalah pada kedalaman 0.030 m. Pada posisi ini, awal Ge terletak pada e-b SCR (space charge region). Frekuensi transit maksimum yang dapat dicapai berkurang karena waktu tunda yang disebabkan oleh perkalian kapasitansi daerah deplesi dan resistansi difusi meningkat. Waktu tunda ini dinyatakan dengan
RE pada Persamaan (4). Peningkatan waktu tunda ini dapat dijelaskan sebagai berikut. Penyempitan bandgap pada SiGe mengakibatkan peningkatan konsentrasi pembawa muatan intrinsik (ni). Sedangkan peningkatan konsentrasi pembawa muatan intrinsik mengakibatkan peningkatan kapasitansi daerah deplesi e-b, sehingga pada akhirnya menyebabkan waktu tunda meningkat seperti dinyatakan oleh Persamaan (3) dan (4).
kT
qV
n
C
BE i ENexp
(3) EN E RE r C
(4)Tingginya harga penguatan arus untuk posisi 1 ini disebabkan peningkatan arus kolektor yang disebabkan oleh meningkatnya konsentrasi pembawa muatan intrinsik. Kurva penguatan arus vs arus kolektor maupun kurva frekuensi transit vs arus kolektor menunjukkan bentuk yang ideal.
Pada posisi 2, awal Ge terletak pada kedalaman 0.040 m, yang terletak diluar e-b SCR tetapi sangat dekat dengan e-b SCR. Pada kasus ini dengan perangkat lunak BIPOLE3 tidak dapat diperoleh hasil simulasi karena sangat dipengaruhi oleh bias pada sambungan e-b (Vbe). Untuk posisi 3, posisi awal Ge digeser ke kanan sejauh 5 nm. Pada posisi ini frekuensi transit maksimum meningkat dan penguatan arus berkurang. Hal ini disebabkan penurunan konsentrasi pembawa muatan intrinsik yang mengakibatkan penurunan arus kolektor. Selain itu, meskipun posisi ini menghasilkan frekuensi transit yang tinggi, beberapa parameter menunjukkan karakteristik yang tidak ideal, antara lain ditunjukkan oleh adanya perubahan mendadak pada kurva penguatan arus vs arus kolektor dan frekuensi transit vs arus kolektor.
Pada posisi 4 dan 5, awal Ge berada jauh pada basis netral yang mengakibatkan penurunan arus kolektor, yang pada akhirnya menyebabkan penurunan besarnya frekuensi transit maksimum yang dapat dicapai. Meskipun pada posisi ini kurva penguatan arus vs arus kolektor tidak menunjukkan adanya penyimpangan, kurva frekuensi transit vs arus kolektor
E. Shintadewi Julian, Profil Germanium Segiempat Pada Transistor Bipolar Silikon-Germanium
masih menunjukkan bentuk yang kurang ideal untuk posisi 4 dan lebih ideal untuk posisi 5.
Dari pembahasan di atas, untuk fabrikasi divais dapat digunakan posisi 1 (awal Ge pada sambungan e-b) atau posisi 5 ( awal Ge jauh di dalam basis netral). Seperti diperlihatkan pada Tabel 1, posisi 1 memberikan penguatan arus tertinggi meskipun frekuensi transit maksimum yang dapat dicapai terendah dibanding yang dapat diberikan oleh posisi lain. Posisi 5, meskipun memberikan penguatan arus dan frekuensi transit maksimum yang rendah dapat memberikan keuntungan lain, yaitu mempunyai lapisan SiGe yang paling tipis. Lapisan SiGe yang lebih tipis menyebabkan potensi terjadinya misfit dislocation menjadi lebih sedikit. Terjadinya misfit
dislocation dapat menyebabkan perubahan sifat bahan semikonduktor SiGe
yang pada akhirnya dapat menurunkan kinerja divais (King, 1989: 2093-2104).
5. Kesimpulan
Dari penelitian yang dilakukan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut.
1. Posisi awal Ge pada basis HBT SiGe sangat mempengaruhi penguatan arus dan frekuensi transit.
2. Posisi awal Ge pada sambungan e-b (0.030 m) menghasilkan penguatan arus tertinggi dan frekuensi transit terendah. Pada posisi ini lapisan SiGe yang dibuat mempunyai ketebalan tertinggi.
3. Posisi awal Ge yang berada dekat e-b space charge region (posisi 3) dapat menghasilkan frekuensi transit tertinggi dan penguatan arus lebih rendah dibanding posisi 1. Meskipun demikian kurva penguatan arus dan frekuensi transitnya tidak ideal.
4. Posisi awal Ge yang berada jauh di dalam basis netral (posisi 4 dan 5) menghasilkan penguatan arus dan frekuensi transit yang semakin rendah. Meskipun demikian posisi 5 mempunyai lapisan SiGe yang paling tipis.
Daftar Pustaka
1. E. Shintadewi Julian dan Djoko Hartanto. 2001. Collector Current and
Base Transit Time Model for SiGe HBT with Graded Ge Profile,
Konferensi CECI. Jakarta.
2. Harame, D. L., dkk.. Maret 1995. Si/SiGe Epitaxial Base Transistors – Part I: Materials, Physics, and Circuits, IEEE Transaction on Electron
JETri,
Tahun Volume 1, Nomor 2, Februari 2002, Halaman 41-48, ISSN 1412-03723. Hueting, R.J.E. 1997. Charge Carrier Transport in Silicon Germanium
Heterojunction Bipolar Transistors, Ph.D. Thesis. , Netherland: Delft
University of Technology.
4. Kasper, E., dkk. 1993, High Speed SiGe-HBT with Very Low Base Sheet
Resistivity. IEDM.
5. King, C. A., dkk.. Oktober 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. 6. Pejcinovic, Branimir, dkk.. Oktober 1989. Numerical Simulation and
Comparison of Si BJT's and Si1-xGex HBT's. IEEE Transaction on
Electron Devices. Vol. 36, No. 10.
