Pengaruh Kontak Basis TerhadapKinerja Transistor Bipolar Silikon Germanium

PENGARUH KONTAK BASIS TERHADAP KINERJA TRANSISTOR BIPOLAR SILIKON GERMANIUM

E. Shintadewi Julian

Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Universitas Trisakti

E-mail: Abstrak

Heterojunction bipolar transistor Silikon Germanium (HBT SiGe) adalah transistor bipolar yang emiter dan kolektornya terbuat dari bahan Si sedangkan basisnya terbuat dari bahan SiGe. HBT SiGe dengan kinerja frekuensi yang tinggi dapat diperoleh dengan optimasi divais pada arah vertikal dan lateral. Optimasi divais pada arah vertikal dilakukan dengan memperkecil ukuran divais pada arah vertikal, mengatur profil dan konsentrasi doping serta profil Ge. Optimasi divais pada arah lateral dilakukan dengan memperkecil ukuran divais pada arah lateral dan menggunakan struktur dengan dua kontak basis. Pada paper ini dikemukakan hasil penelitian yang membandingkan kinerja HBT SiGe yang menggunakan satu-kontak basis dan dua-kontak basis. Penelitian dilakukan pada HBT SiGe ₂ ₂ ₂ dengan luas emiter 0,5 x 10-μm , 0,25 x 10-μm dan 0,18 x 10-μm . Penelitian dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak simulasi Bipole3v5.3.1. Dari hasil simulasi diperoleh kesimpulan sebagai berikut: HBT SiGe dengan dua-kontak basis menghasilkan frekuensi osilasi maksimum yang tingginya sekitar 1,5 kali frekuensi HBT dengan satu-kontak basis, HBT SiGe dengan dua-kontak basis menghasilkan frekuensi cutoff dan penguatan arus yang sama dengan HBT yang mempunyai satu-kontak basis dan memperkecil lebar emiter pada arah lateral akan meningkatkan frekuensi cutoff, frekuensi osilasi maksimum dan penguatan arus.

Kata kunci: kontak, basis, transistor, bipolar, SiGe Pendahuluan

Heterojunction bipolar transistor Silikon Germanium (HBT SiGe) adalah transistor bipolar

yang emiter dan kolektornya terbuat dari bahan Si sedangkan basisnya terbuat dari bahan SiGe.

Penggunaan SiGe sebagai basis HBT ini sangat bermanfaat sebab penguatan arus dapat ditingkatkan dengan menggunakan bahan semikonduktor emiter yang mempunyai celah pita energi lebih lebar dari basis atau menggunakan basis yang mempunyai celah pita energi lebih sempit dari emiter (Hueting, 1997). Peningkatan nilai penguatan arus ini dapat dipertukarkan dengan peningkatan kinerja frekuensi HBT SiGe.

HBT SiGe yang pertama dipublikasikan pada 1987 (Iyer, 1987). Bahan SiGe digunakan sebagai basis HBT karena mempunyai celah pita energi yang lebih kecil dari celah pita energi Si yang digunakan sebagai emiter dan kolektor. HBT SiGe diharapkan dapat bersaing dengan HBT kolom III-V karena kompatibilitasnya dengan proses fabrikasi Si yang sudah ada dan karena harganya yang lebih murah. Dewasa ini pencapaian frekuensi HBT SiGe mencapai 375 GHz untuk frekuensi cutoff (f t ) (Rieh, 2003) dan 350 GHz untuk frekuensi osilasi maksimum (f max ) (Khater, 2004).

HBT SiGe dengan kinerja frekuensi yang tinggi dapat diperoleh dengan optimasi divais pada arah vertikal dan lateral. Optimasi divais pada arah vertikal dilakukan dengan memperkecil ukuran divais pada arah vertikal, mengatur profil dan konsentrasi doping serta profil Ge. Optimasi divais pada arah lateral dilakukan dengan memperkecil ukuran divais pada arah lateral dan menggunakan struktur dengan dua kontak basis.

Pada paper ini dikemukakan hasil penelitian yang membandingkan kinerja HBT SiGe yang menggunakan satu-kontak basis dan dua-kontak basis. Penelitian dilakukan pada HBT SiGe dengan ₂ ₂ ₂ luas emiter 0,5 x 10-μm , 0,25 x 10-μm dan 0,18 x 10-μm . Penelitian dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak simulasi Bipole3v5.3.1.

Studi Pustaka

Penguatan arus, frekuensi cutoff dan frekuensi osilasi maksimum merupakan ukuran yang umum digunakan sebagai indikator kinerja transistor bipolar. Penguatan arus dc pada transistor bipolar didefinisikan sebagai

I J _{C C} β = =

I J _{B B}

(1) dengan I C arus kolektor dan I B arus basis. Gambar Gummel (Gummel plot), yaitu kurva arus kolektor I dan arus basis I dalam skala logaritma sebagai fungsi tegangan basis-emiter V umum _{C B} _BE digunakan untuk memperlihatkan perilaku DC transistor bipolar. Dari Gummel plot inilah dibuat kurva penguatan arus DC sebagai fungsi arus kolektor. Pada V rendah, terjadi peningkatan arus _BE basis yang disebabkan oleh meningkatnya arus rekombinasi pada basis. Hal ini menyebabkan kemiringan (slope) arus basis lebih kecil dari kemiringan arus pada V BE yang lebih besar. Pada V BE menengah yang disebut juga daerah linear, arus kolektor dan basis mempunyai kemiringan yang sama. Umumnya transistor dirancang untuk bekerja pada daerah linear. Pada V BE tinggi, terjadi penurunan kemiringan arus kolektor yang disebabkan antara lain oleh tingginya injeksi elektron pada kolektor dan resistansi seri pada basis.

Frekuensi cutoff atau frekuensi transit (f t ) didefinisikan sebagai frekuensi pada saat penguatan arus common emitter (CE) sama dengan satu. Frekuensi transit ini dapat dihubungkan dengan struktur transistor, yaitu melalui waktu tunda dari emiter ke kolektor . Hubungan antara

τ ec

frekuensi transit dan waktu tunda adalah:

(2)

f _{t =}

2 πτ ec

Waktu tunda total τ ec pada 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.

Frekuensi osilasi maksimum (f max ) adalah frekuensi pada saat penguatan daya unilateral sama dengan satu dan dapat dinyatakan dengan (Sze, 2007). _{1 /} ₂

 f  _t

(3)

f _{max =}  

8 R C

π _{b bc}  

dengan R b resistansi basis dan C bc kapasitansi sambungan basis-kolektor. Berdasarkan Persamaan (3) diketahui bahwa frekuensi osilasi maksimum dapat ditingkatkan dengan cara meningkatkan frekuensi cutoff, menurunkan resistansi basis dan/atau menurunkan kapasitansi sambungan basis- kolektor.

Metodologi Penelitian Penelitian diawali dengan penentuan struktur HBT SiGe pada arah vertikal dan lateral.

Struktur pada arah vertikal mencakup profil impuritas dan ukuran/lebar bagian emiter, basis serta kolektor transistor. Selain itu juga ditentukan profil Ge pada basis. Semua HBT SiGe yang digunakan pada penelitian ini mempunyai profil impuritas, profil Ge dan ukuran divais yang sama pada arah vertikal, yaitu yang diperlihatkan pada Gambar 1 (a) dan (b). Lebar emiter adalah 12-nm _{20 -3} dengan impuritas tertinggi sekitar 10 -cm , basis mempunyai lebar 39-nm dengan impuritas _{19 -3} tertinggi 10 -cm , dan kolektor mempunyai profil selective implanted collector (SIC). Profil Ge pada basis adalah segiempat dengan fraksi Ge 0,05.

Struktur pada arah lateral mencakup ukuran emiter, basis, kolektor, basis ekstrinsik,

burried layer dan isolasi serta jarak dari satu bagian ke bagian lainnya. Sketsa divais pada arah

lateral untuk HBT dengan 1 kontak basis diperlihatkan pada Gambar 2 (a) sedangkan HBT dengan 2 kontak basis diperlihatkan pada Gambar 2 (b).

Simulasi dilakukan menggunakan opsi mask otomatis sehingga parameter input yang berkaitan dengan struktur divais pada arah lateral yang perlu didefinisikan hanya luas emiter (A E ), ukuran-ukuran lain pada arah lateral dihitung oleh perangkat lunak secara otomatis. Ada tiga luas ₂ ₂ ₂ emiter yang diamati yaitu A E adalah 0,5 x 10-μm , 0,25 x 10-μm dan 0,18 x 10-μm , baik dengan satu-kontak basis maupun dua-kontak basis sehingga secara keseluruhan ada 6 SiGe HBT yang diamati kinerjanya.

₎ _1e+019 1e+020 _{018_1base net doping} _t _(x _p _d _o _g _in ₎ _N _(c _m -3 _1e+017 _1e+018 _N e _1e+016 _1e+015 _0.05 _0.1 _0.15 _0.2 _{Depth (microns)} _0.25 _0.3 _0.35 _0.4 (a) _0.45 _0.5 _0.08

0.1 _{018_1base Ge fraction} _n _G _f _e _ra _c _ti _o _0.04

0.06

0.02 _0.05 _0.1 _0.15 _0.2 _{Depth (microns)} _0.25 _0.3 _0.35 _0.4 (b) _0.45 _0.5 Gambar 1. (a) profil impuritas dan (b) profil Ge HBT SiGe pada arah vertikal Hasil dan Pembahasan ₂ Dari simulasi HBT SiGe dengan luas emiter 0,18 x 10-μm , baik untuk satu-kontak

maupun dua-kontak basis diperoleh kurva frekuensi cutoff (f t ) dan frekuensi osilasi maksimum (f ) vs arus kolektor (I ) yang diperlihatkan pada Gambar 3, sedangkan kurva penguatan arus _{max C} (β DC ) vs arus kolektor diperlihatkan pada Gambar 4. Dari hasil simulasi diketahui bahwa HBT dengan dua-kontak basis mempunyai frekuensi osilasi maksimum (f max ) lebih tinggi dari HBT dengan satu-kontak basis sedangkan frekuensi cutoffnya sama. Berdasarkan data hasil simulasi yang dirangkum di Tabel 1, HBT SiGe dengan dua-kontak basis mempunyai nilai puncak f max,peak sekitar 50% lebih tinggi dibandingkan dengan HBT dengan satu-kontak basis. Tren atau ₂ kecenderungan yang sama juga diperoleh untuk HBT dengan luas emiter 0,5 x 10-μm dan 0,25 x ₂ 10-μm .

Gambar 2. Skema HBT SiGe pada arah lateral dengan (a) satu-kontak basis dan (b) dua-kontak basis Gambar 3. Kurva frekuensi cutoff dan frekuensi osilasi maksimum sebagai fungsi arus kolektor pada HBT SiGe dengan luas emiter 0,18 x 10-μm ² . ² ⁴ ⁶ ⁸ ¹⁰ ¹² ¹⁴ ¹⁶ ¹⁸ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ^(m ⁸ ^Lengt ^h îc ^ron) ^{Width (micron)} ^Contact ^{Extr. Base} ^Base Êmitter ^Collector ^{Buried Layer} Îsolation ² ⁴ ⁶ ⁸ ¹⁰ ¹² ¹⁴ ¹⁶ ¹⁸ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁽ ⁸ ^Le ^ngt ^h ^m îc ^ron) ^{Width (micron)} ^Contact ^{Extr. Base} ^Base Êmitter ^Collector ^{Buried Layer} Îsolation

80 100 120 140 160 180

1e-005 0.0001 0.001

0.01

0.1 ft+ fm a x o s ci lla tio n ( GH z)

Ic (Amp) 018_2base ft 018_2base fmax 018_1base ft 018_1base fmax

(a) (b) Dari kurva penguatan arus sebagai fungsi arus kolektor diketahui bahwa besarnya penguatan arus HBT dengan dua-kontak basis dan satu-kontak basis adalah sama. Selain itu dari Tabel 1 juga diketahui bahwa memperkecil lebar emiter pada arah lateral akan meningkatkan nilai frekuensi cutoff, frekuensi osilasi maksimum dan penguatan arus.

Gambar 4. Kurva penguatan arus sebagai fungsi arus kolektor pada HBT SiGe dengan luas emiter 0,18 x 10-μm ² .

Kesimpulan

Ic (Amp) 018_2base beta dc 018_1base beta dc

0.1 b e ta d c

0.01

1e-005 0.0001 0.001

100 150 200 250 300 350 400 450

c) Memperkecil lebar emiter pada arah lateral akan meningkatkan frekuensi cutoff, frekuensi osilasi maksimum dan penguatan arus.

b) HBT SiGe dengan dua-kontak basis menghasilkan frekuensi cutoff dan penguatan arus yang sama dengan HBT yang mempunyai satu-kontak basis.

a) HBT SiGe dengan dua-kontak basis menghasilkan frekuensi osilasi maksimum yang tingginya sekitar 1,5 kali frekuensi HBT dengan satu-kontak basis.

2 84 162 412

Tabel 1. Kinerja HBT SiGe

1 84 106 412 0,18 x 10

77 92 360 0,25 x 10 2 76,4 142 360 0,18 x 10

0,25 x 10

67 68 294 0,5 x 10 2 65,4 98 294

β dc,peak 0,5 x 10

(GHz) f max,peak (GHz)

A E (μm ² ) Kontak Basis f t,peak

(c)

Daftar pustaka

Hueting, R.J.E., 1997, Charge Carrier Transport in Silicon Germanium Heterojunction Bipolar Transistors , Disertasi, Delft University of Technology, Netherland. Iyer, S.S., Patton, G.L., Delage, S.L., Tiwari, S., dan Stork, J.M.C., 1987, Silicon-Germanium Base Heterojunction Bipolar Transistors by Molecular Beam Epitaxy, Proc. IEDM , 33:874-876. Khater M. dkk., 2004, SiGe HBT Technology with fmax/ft=350GHz/ 300GHz and Gate Delay Below 3.3ps, IEDM Tech. Digest, 247 – 250. Rieh J.-S. dkk., 2003, Performance and Design Consideration for High Speed SiGe HBT of ft/fmax=375GHz/210GHz, Proc. Of International Conf. On Indium Phosphide and Related

Materials , hal.374 – 377.

Sze S.M, Ng K.K, 2007, Physics of Semiconductor Devices, John Wiley and Sons, New Jersey, USA.

Pengaruh Kontak Basis TerhadapKinerja Transistor Bipolar Silikon Germanium