JETri, Volume 1, Nomor 2, Februari 2002, Halaman 41-48, ISSN 1412-0372 PROFIL 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 f max (maximum frequency of oscillation) yang tinggi.
JETri, Tahun Volume 1, Nomor 2, Februari 2002, Halaman 41-48, ISSN 1412-0372 Teknologi 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 f t (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). N( y) ln 10 N( y) ln 17 10 1/ 2 17 E, ( y) 9,0 mev (1) g HD 2 0,5 dengan N(y) adalah konsentrasi doping. Persamaan (1) di atas berlaku untuk fraksi mol Ge (x) 0.3 dan N(y) 10 20 cm -3. Sedangkan model penyempitan bandgap sebagai fungsi fraksi mol Ge yang digunakan pada penelitian ini berdasarkan (Pejanovic, 1989: 2129-2137) yaitu E g, GE ( x) 0, 74x ev (2) dengan x adalah fraksi mol Germanium. 42
Doping concentrationcm-3 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+022 1e+021 1e+020 1e+019 1e+018 1e+017 1e+016 1e+015 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Depth (microns) Gambar 1(a) Konsentrasi doping dan dimensi transistor Konsentrasi doping maksimum pada emiter adalah 2.10 18, pada basis 2,2.10 18 dan pada subkolektor 10 17 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. 43
Ge fraction JETri, Tahun Volume 1, Nomor 2, Februari 2002, Halaman 41-48, ISSN 1412-0372 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 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 44
GHz Beta Dc E. Shintadewi Julian, Profil Germanium Segiempat Pada Transistor Bipolar Silikon-Germanium 700 600 500 Beta DC vs. Ic DELFT3AB Beta DC DELFT3C Beta DC DELFT3B Beta DC DELFT2E Beta DC 400 300 200 100 0 1e-008 1e-007 1e-006 1e-005 0.0001 0.001 0.01 Amp Gambar 3. Kurva penguatan arus () vs arus kolektor (Ic) 100 10 Ft vs. Ic DELFT3AB Ft DELFT3C Ft DELFT3B Ft DELFT2E Ft 1 0.1 0.01 1e-008 1e-007 1e-006 1e-005 0.0001 0.001 0.01 Amp Gambar 4. Kurva frekuensi transit (ft) sebagai fungsi arus kolektor (Ic) 45
JETri, Tahun Volume 1, Nomor 2, Februari 2002, Halaman 41-48, ISSN 1412-0372 Pada 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). qvbe CEN ni exp (3) kt r C (4) RE E EN 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 46
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 Devices, Vol. 42, No. 3. 47
JETri, Tahun Volume 1, Nomor 2, Februari 2002, Halaman 41-48, ISSN 1412-0372 3. 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 Si 1-x Ge x by Analysis of Nearly Ideal Si/Si 1-x Ge x /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 Si 1-x Ge x HBT's. IEEE Transaction on Electron Devices. Vol. 36, No. 10. 7. Roulston, D. J. 2000. BIPOLE3 User s Manual. Canada: Bipsim Inc. 48