RANCANGAN HETEROJUNC TION BIPOLAR TRANSIS

RANCANGAN

HETEROJUNCTION BIPOLAR TRANSISTOR (HBT) SI / SI 1-X GEX

BERDASARKAN PENGONTROLAN

GEOMETRI LATERAL DAN VERTIKAL

1)

Tossin Alamsyah, 2) Danang Wijayanto

Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Jakarta Kampus Baru UI Depok,16422

alamsyah_pnj@yahoo.co.id

…

Abstrak

Heterojunction Bipolar Transistor (HBT) untuk selanjutnya disebut HBT Si/ Si1-x Gex ditawarkan oleh Shockley

dan Kromer, dikembangkan oleh IBM (1989) yang diimplementasi pada komponen frekuensi tinggi. Silikon dan Germanium adalah isoelectronics mempunyai tipe konduktivitas yang sama sehingga posisi Germanium dapat berupa donor maupun akseptor keduanya membentuk ikatan heterostruktur, dengan latice mismatch sekitar 4,2%. Persamaan lattice SiGe (aSiGe) yaitu;

2 002733 ,

0 1992 , 0 431 , 5 )

(x x x

a_SiGe    dengan persamaan

energi bandgap (EgSiGe); Eg(Si₁xGex)Eg(Si)0,896x0,396x2, x adalah mole fraction sebaran

dapat diatur dari bentuk box (kotak) atau trapesium.

Parameter vertikal diwakili oleh lapisan basis (wb) yang dibuat tipis dengan konsentrasi doping (Nd) tinggi

sdang untuk lateral diwakili oleh emitter area (Ae) dan jumlah terminal basis.

Hasil penelitian menyimpulkan bahwa disain geometri dengan kombinasi lateral dan vertikal berpengaruh pada nilai noise figure. Model HBT IBM yang bekerja pada fT = 50 GHz. β=110, fmaks = 65 GHz, dan βVCEO

3,3 Volt, dengan Fn =1,07dB pada finp=fT berubah parameternya menjadi fT = 79,4 GHz, β=284, fmaks = 127

GHz serta Rbb = 9,0 ohm dengan VCEO 2,7 Volt dengan Fn =0,76 dB. Perubahan tersebut terjadi dengan

karena ; a) menambah terminal basis, b) merubah profile germanium SiGe dari segitiga menjadi trapesium, c)

menurunkan Ae menjadi 0,09 µm, d) menurunkan mole fraction (x) dan e) mempersempit lebar basis.

Kata Kunci: _{Heterojunction Bilpolar Transistor (HBT), SiGe, Geometri, Lateral, Vertikal}.

PENDAHULUAN

Konsep Heterojunction Bipolar Transistor (HBT) Silikon Germanium ()SiGe) dipatenkan oleh William Shockley pada tahun 1948 kemudian teori HBT SiGe dikembangkan oleh Kroemer dan dipublikasikan pada tahun 1951. [2] Heteromaterial Silikon – Germanium (SiGe) pada basis HBT dapat dibuat tipis dengan tetap memberikan konsentrasi doping yang tinggi sehingga resistansi basis (rbb) tetap rendah. Kemudian

pada tahun 1987 IBM memulai penelitian mengenai material SiGe pada HBT, SiGe HCMOS dan SiGe

Optoelectronics devices, kemudian diikuti oleh

Analog Devices,NEC, Daimler Benz, dan Nortel.[6] Pada akhirnya tahun 1989 IBM memproduksi HBT SiGe generasi pertama dengan teknologi UHV/CVD, dengan lithografi 0,50 µm memiliki parameter kinerja

β=110, fT=50 GHz, fmaks = 65 GHz serta Rbb =

8,9 ohm pada IC 10 mA, [7] untuk selanjutnya

model ini berkembang dengan teknologi BiCMOS atau bipolar complementary metal-oxide

semiconductor yaitu kombinasi teknologi Bipolar dan

CMOS untuk menghasilkan divais HBT SiGe dengan

speed diatas CMOS dengan power disipasi lebih

rendah dari teknologi bipolar.[8] menjadi IBMs SiGe BiCMOS 6WL dengan tiga (3) varian yaitu :

High-performance HBT fT = 60 GHz, BVceo = 3.2 V,

β = 160 ; Medium-performance HBT fT = 45 GHz,

BVceo = 4,2 V, β = 165 dan High-breakdown HBT dengan fT = 29 GHz, BVceo = 6.,0 V, Beta = 165.

[9]

Pada penelitian ini dilakukan pengaturan arah lateral (sumbu y) dan vertikal (sumbu x) pada rancangan HBT SiGe. Parameter model HBT yang dikembangkan oleh IBM generasi pertama dengan satu terminal basis (HBT111),[9] diubah menjadi model HBT dengan dua(2) terminal basis (HBT 121). [13][19] Pada arah lateral diatur stripe emiter (Ae)

sepanjang lengan emiter kemudian pada arah vertikal diatur ketebalan basis (Wb) atau xb pada

dimensi lateral yang direpresentasikan pada ratio Lebar (W) dan Panjang (L) dari HBT model yang dibatasi pada daerah burried layer. Pengaturan Geometri dilakukan dengan penskalaan rasio L/W , dari rasio 1, 0,8, 0,6 dan 0,4 pemilihan variabel ini didasarkan pada ketebalan kritis (critical thickness)

dari epilayer SiGe. Kontribusi dari penelitian ini dihasilkannya model HBT SiGe dari sebagai perbaikan dari model HBT IBM generasi pertama dengan perbaikan pada parameter noise figure (Fn)

ketika f = fT, yaitu 0,88 dB menjadi 0,56 dB.

Penelitian ini menggunakan perangkat lunak komersial Simulator Bipole3 dari Bipsim.inc. Program ini memiliki pendekatan matematis DD dan HD dengan model berdasarkan pada pendekatan

electron transport Poisson formula sehingga

menghasilkan quasi tiga(3) dimensi (Q-3D).[ 17][18] Dalam rancangan model HBT SiGe ini digunakan rancangan dengan double basis contact , hasil investigasi M.W. Hsieh pada tahun 2006 double basis kontak mempunyai maximum output power yang baik serta noise figure (Fn) yang

rendah dibandingkan dengan single basis contact, hal ini terjadi karena adanya reduksi contact resistances.

[15]

Beberapa formulasi yang digunakan pada analisa simuasi Bipole3G adalah poisson equation

dengan formulasi electron transport, seperti ditunjukkan pada persamaan ,















q



p



n



N

D



N

A







s





 

, dengan



, potensial elektrostatik,



, permitivitas dielektrik, q muatan elektron, p dan n konsentrasi hole dan elektron, ND dan NA adalah konsentarsi impuriti donor

dan akseptor serta



s adalah surface charge density.

Pada arah vertikal (arah-x), program simulasi Bipole3 membagi divais menjadi lima (5) daerah yaitu: 1) emiter netral, 2) e-b scr, 3) basis netral, 4) b-c scr, dan 5) kolektor netral dengan grafik fungsi impuriti profile

atau dopant kensentrasi terhadap depth (x)

Persamaan transport elektron pada daerah neutral base (region 3) sesuai dengan Persamaan 1, dan 2

METODA EKSPERIMEN & FASILITAS

YANG DIGUNAKAN

Metode penelitian yang dilakukan dibuat pemodelan berdasarkan rancangan HBT SiGe IBM

generasi kedua dengan area stipe emitter 0.18μm

dengan fT maksimum sekitar 84 GHz Tools

pemodelan yang digunakan adalah software

Bilpole3G yang dikembangkan oleh BIPSIM Inc.

Program simulator dapat mensimulasikan terminal electrical caharacteristics dari material silicon atau

silicon-germanium. Software ini dirancang dengan

model matematis Drift diffuse (DD) dan Hidrodinamic (HD) sehingga menghasilkan model HBT quasi 3 dimensi. Gambar 1 menunjukkan gambar layout 3 dimensi dari HBT SiGe.

Gambar 1. Layout 3D model HBT.

Diagram yang ditunjukkan oleh Gambar 2(a) menunjukkan gambar arah lateral dari HBT SiGe, hasil rekaan dari Simulator Bipole3 dengan nilai parameter ditunjukkan pada table 1(a).

Tabel 1(a) Parameter Lateral

Pada arah lateral diatur stripe emiter (Ae)

sepanjang lengan emiter yaitu emitter diffusion width (lithograpi) dari model HBT SiGe yang bernilai 0,50µmdiubah menjadi 0,18µm; 0,12µm dan 0,09µm. Sedangkan pada arah vertikal diatur ketebalan basis (Wb) atau xb pada Gambar 2(b) dibawah ini

menujukkan rekaan diagram arah vertical yaitu Nilai Konsentrasi Doping (N) terhadap ketebalan devais (um). Sedangkan nilai parameternya ditunjukkan pada Tabel 1(b).

Gambar 2(b). Diagram arah Vertikal

Tabel 1 (b) Paramter arah Vertikal

Untuk memudahkan dalam mensumulasikan hasil, maka dari beberapa kemungkinan tersebut dibangun nama-nama file simulator , ditunjukkan pada table 2 berikut ;

Tabel 2. File Simulator

HASIL DAN PEMBAHASAN

a) Validasi rancangan dan hasil simulasi.

Dari model HBT SiGe 0,50µm BICMOS untuk selanjutnya lithografi diubah menjadi 0,18µm; 0,12µm dan 0,09µm, perubahan ini pada dasarnya adalah merubah stripe emitter area (Ae) dari 0,50

x10 µm2 menjadi 0,18 x10 µm2 ; 0,12 x10 µm2 dan 0,09 x10 µm2. Hal ini akan berpengaruh pada arus kolektor Ic, semakin besar Ae maka kemampuan arus

melalui terminal emiter semakin besar, akibatnya

current gain (β) akan bertambah pula persamaan

regresi linier untuk current gain rancangan (βdsgn) adalah



_dsgn 0,002454.A_e2,718 sedangkan

current gain hasil simulasi (βsim), adalah

459 , 0 . 005342 ,

0 

 e

sim A



, ditunjukkan oleh

Gambar 3a, deviasi anatara βsim dan βdsgn berkisar

1e+015 1e+016 1e+017 1e+018 1e+019 1e+020

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

microns net doping N(x) vs. depth

6%. Gambar 3b menunjukkan grafik frekuensi

konstan. Persamaan regresi linier untuk frekuensi treshold (fT) rancangan (fTdsgn) terhadap Ae,

Perbandingan current gain(β) versus stripe emitter

(Ae)

Gambar 3b.

Perbandingan frekuensi treshold (fT) terhadap stripe emitter (Ae)

Tabel 3 menunjukkan unjuk kerja dari HBT pemodelan dengan menurunkan lebar stripe emitter, kecuali unjuk kerja current gain dan tahanan kolektor yang menurun parameter BVCEO,

BVCEO*fT , fT dan f osc naik sehingga ketiga

hubungan tersebut maka dapat ditentukan bahwa

stripe emitter (Ae), merupakan gabungan fungsi

f(RB/RC ), f(1/fosc.fT ) dan f(β/Fn ) dituliskan

relasi sebagai berikut;

n

b)

Perancangan Model Berdasarkan

Geometri Lateral dan Vertikal

.

Tahapan yang dilakukan pada pada pengaturan arah lateral dengan cara menurunkan stripe amitter

(Ae) dari 0,18 μm menjadi 0,12 μm dan 0,09 μm sehingga ada kenaikan dari frekuensi threshold (fT),

(b) kemudian pengaturan arah vertikal dengan cara menaikkan fraction mole (x) dari 0,05 menjadi 0,1 supaya terjadi kenaikkan pada current gain (β), (c)

selanjutnya dilakukan pengaturan geometri arah lateral, dengan menurunkan ukuran geometris arah lateral yaitu ukuran W/L yang indentik dengan

3μm/15μm sebagai ukuran skala 1, diturunkan

menjadi 80%,60% dan 40%, penurunan ini berdasarkan dari acuan critical thickness dari Mathhew dan Blakesle. [18] [19], (d) dan yang terakhir adalah gabungan dari (a) , (b) dan (c) dengan memperkecil lebar basis (wb) arah vertikal

menjadi 50% dan 75% dari ukuran semula 600 nm dengan bentuk trapesium.

Gambar 4 di bawah menunjukkan grafik fungsi noise terhadap model-model yang dengan penaturan

vertikal dan lateral. Dari diagram Gambar 4 dapat diamati bahwa simulator 009br6_wb050, mempunyai nilai noise figure Minum (Fn) yang rendah

dibanding dengan file simulasi 009asli, 012asli, 009asli_ge10, nilai noise figure (Fn) tersebut

berdasarkan pada kondisi; low current(Ic) ,

current gain maximum dan frekuensi treshold (fT)

maksimum. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa cara yang terbaik untuk mendapatkan noise

figure (Fn) minimum adalah memperkecil lebar

emiter arah lateral, dan mempersempit ketebalan basis (wb) serta menaikkan mole fraction (x). Jika

dibandingkan dengan model HBT acuan , saat fT maks

selisih Fn 0,31 dB saat βmaks. selisih Fn=0,34dB,

saat low current mempunyai selisih 0,45 dB.

Gambar 4. Grafik fungsi noise figure pada File HBT Simulasi .

KESIMPULAN

Dari hasil penelitian dapat disimpulkan

bahwa disain geometri dengan kombinasi lateral

dan vertikal menghasilkan beberapa kelebihan

terutama

noise figure

. Model HBT IBM

generasi pertama yang bekerja pada f

T

= 50 GHz.

β

=110, f

T

=50 GHz, f

maks

= 65 GHz, R

bb

=

18,9 ohm dan βVC

EO

3,3 Volt, dengan F

n

=1,07dB pada f

inp

=f

T

naik parameternya

menjadi f

T

= 79,4 GHz,

β

=284, f

maks

= 127 GHz

serta R

bb

= 9,0 ohm dengan VC

EO

2,7 Volt dengan

F

n

=0,76 dB pada f

inp

=f

T

dengan cara ; (a)

menambah terminal basis sehingga Resistansi

basis menurun, (b) merubah profile germanium

SiGe dari segitiga menjadi trapesium, (c)

menurunkan A

e

menjadi 0,09 µm, kemudian

menurunkan ukuran size,(d) menurunkan fraksi

Ge dari 7,5% menjadi 5% dan terakhir (e)

mempersempit lebar basis menjadi 30% dari

ukuran semula

UCAPAN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih DP2M Dikti yang

telah

memberikan

bantuan

dana

dalam

melaksanakan Penelitian Fundamental dengan

kajian HBT SiGe.

Nomenklatur

x Mole fraction

Ae Stripe emitter area (nm 2 )

Ae xLe Lithographic (um)

fT Frequency Threshold ( GHz)

f

maks Frequency Maksimum ( GHz)

R

bb Resistance Basis (ohm)

β current gain

VC

EO Voltage Collector Emitter Open (volt)

Fn noise figure Minum (dB)

REFERENSI

[1.] S.M Sze, “Physics of Semiconductor Devices ,”

John Wiley and Sond 3nd Edition , 1999.

[2.] Hueting R.J.E., “Charge Carrier Transport in

Silicon Germanium Heterojunction Bipolar

Transistors”, Disertasi, Delft University of

Technology, 1997

[3.] A.F. Marshall,a) D.B. Aubertine, W.D. Nix, and P.C. McIntyre,” Misfit dislocation dissociation and Lomer formation in low mismatch SiGe/Si

0,76 _0,73

0,92

0,62 0,62

0,76

0,74 _0,71

0,85

0,53 0,53

0,77 0,98

0,87

1,07

Low Current Max Gain Max fT

N

o

is

e

F

ig

u

re

(

F

n

)

009asli 009asli_ge10 012_asli

heterostructures.” Geballe Laboratory for Advanced Materials and Department of Materials Science and Engineering, Stanford University, Stanford, California 94305.2004.

[4.] Haizhou Yin, “Strain Relaxation of SiGe on

Compliant BPSG and Its Applications” a

Dissertation, Faculty of Princeston University Departemen of Electrical Engineering, 2004 , diakses Maret 2008.

[5.] Christoph Schelling “Growth and characterization of selforganized and organized Si and Si(1-x)Gexnanostructures”, Disertation zur

Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften Linz, November 2000.

[6.] John D. Cressler, “Using SiGe HBTs for

Mixed-Signal Circuits and Systems”:

Opportunities and Challenges School of Electrical and Computer Engineering 777 Atlantic Drive, N.W. Georgia Institute of Technology Atlanta, GA 30332-0250, Abs. 1282, 206th Meeting, © 2004 The Electrochemical Society, Inc.

[7.] Guofu Niu et all,” Noise Parameter

Optimization of UHV/CVD SiGe HBT’s for RF

and Microwave Applications,” IEEE

TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 46, NO. 8, AUGUST 1999

[8.] John D. Cressler, “SiGe HBT Technology: A New

Contender for Si-Based RF and Microwave Circuit Applications,” invited Paper , IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques Vol. 46, No. 5, May 1998

[9.] V. Ilderem, S.G. Thomas, J.P. John, S. Wipf, D. Zupac, H. Rueda, F. Chai, R. Reuter*, J. Kirchgessner, J. Teplik, P. Wennekers*, T. Baker, M. Clifford, J. Griffiths, M. Tawney, M. McCombs,” The Emergence of SiGe:C HBT

Technology for RF Applications,” Digital

DNATM Laboratories, Semiconductor Products Sector, *EMEA-Berlin, Motorola Inc, 2100 E. Elliot Rd, MD: EL741, Tempe, AZ, 85284. Phone: (480) 413-3612, Fax: (480) 413-7918, email: vida.ilderem@motorola.com, diakses Maret 2007

[10.]www. ibm.com/technology “IBM Global

Engineering Solution”, diakses tanggal 26 Mei

2009.

[11.]Ivanov, tony ”RF SiGe Devices Technology SiGe

Bicmos Intregation Agere system “ Orlando PL,

2007.

[12.]Yinggang Li, Harald Jacobsson, Mingquan Bao and Thomas Lewin,”High-frequency SiGe MMICs - an Industrial Perspective “ Ericsson AB, Ericsson Research, MHSERC, SE-43184 Mölndal, Sweden, 2004

[13.]Palankovski, vassil, “H modellingissues`of SiGe

semiconductor Devices,” journal of

Telecomunications and Information Technology, 2007.

[14.]Jae-Sung Rieh et all “SiGe Heterojunction

Bipolar Transistors and Circuits Toward

Terahertz Communication Applications” IEEE

Transaction on Microwave Theory and Techniwues, vol. 52, no. 10, October 2004. [15.].W. Hsieh, C.C. Ho, H.P. Wang, C.Y. Lee*, G.J.

Chen*, D.T. Tang*, and Y.J. Chan “Frequency

Response Improvement of 120 GHz fT SiGe HBT

by Optimizing the Contact Configurations”

Department of Electrical Engineering, National Central University, Chung-li, Taiwan 32054, R. O. C, 2006

[16.]K.Das, Mukul dkk, “Pefrormance Analysis of a

SiGe/Si Heteronuction Bipolar Transistor for

Different Ge –Composition,” University of

Calcuta 92 Acharya P.C road , email:nrd@jeee.org, diakses maret 2006. [17.]Zhang S., dkk, “The Effects of Geometrical

Scaling on The Frequency Response and Noise

Performance of SiGe HBTs,” IEEE Trans. on

Electron Dev. Vol.49, No.3, 2002.

[18.]Shintadewi Julian E., “Perancangan Heterojunction Bipolar Transistor Silikon Germanium untuk Memperoleh Frekuensi Cutoff dan Frekuensi Osilasi Maksimum Lebih dari 130

GHz,” Disertasi tidak diterbitkan, Universitas

Indonesia, 2004.

[19.]V.D.Kunz dkk, “Application of Poly crystalline

SiGe for gain Control in SiGeHeterojuunction”,

Departmen of Electronics & Computer Science, University of Southhamton, Southampton So17 1BJ, England, diakses bulan Juni 2008.

[20.]Mark J. W. Rodwell et all ,” Submicron Scaling

of HBTs” IEEE Transaction On Electron

Devices, vol 48, no.11 November 2001.

[21.]Lu Yuan, dkk, “Proton Tolerance of

Third-Generation, 0.12 _m 185 GHz SiGe HBTs”, IEEE Transaction on Nuclear Sience, VOL. 50, NO. 6, Desember 2003

[22.]Chistoph jungemann dkk ,” Full-Band Monte Carlo Devices Simulation of a Si/SiGe-HBT with

a Resistic Ge Profile.” IECE Transaction

Electron, Vol.E83-Cno.8 August 2000.

[23.]J.C.J Paasschens, W.J Klosssteman, R.J Havens,” Modelling two SiGe HBT spevific

feature for circuit Simukation”, Philips Research Laboratories,

email:jeroen.Passcchens@Philips.com, IEEE 2001

Theoretische Elektrotechnik und Mikroelektronik Univer Bremen, Kufsteiner Straße Postfach 33 04 40, 28334 Bremen, Germany Tel.: +49 421 218 4689, Fax.: +49 421 218 4434 E-mail: neinhus@item.uni-bremen.de. Diakses maret 2009

[25.]Refference manual Bipole3G, info@bipsim.com , www.bipsim.com, diakses Pebruari 2007.

[26.]Roulston D.J., Bipole3 User”s Manual, Bipsim Inc., Canada, 2006.

[27.]BIPOLE3 v.5.3 .REFERENCE MANUAL

February 2006 BIPSIM Inc.,131 Langarth Street