RANCANGAN HETEROJUNCTION BIPOLAR TRANSISTOR SILIKON GERMANIUM (HBT’S SIGE) DENGAN PENDEKATAN POISSON EQUATION

  RANCANGAN HETEROJUNCTION BIPOLAR TRANSISTOR SILIKON GERMANIUM (HBT’S SIGE) DENGAN PENDEKATAN POISSON EQUATION

Tossin Alamsyah, Endang Saepuddin

  

Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Jakarta

e-mail

.

  ABSTRACT.

  

Ideally performance of Heterojunction Bipolar Transistor (SiGe HBT's) is the Threshold Frequency (ft)

and Maximum Frequency (fmax) and high current gain. In order to get the performance can be used the

physics approach that that is heavy doping on the emitter and narrow base width. This research conducted

at the design of SiGe HBT's based on a model approach three (3)-dimensional hydrodynamic approach to

the Poisson equation with electron transport. Simulation using the software Bipole3 with input parameters

based on models developed by IBM's first generation. Results of analysis and discussion show that the

design of SiGe HBT's provide the frequency threshold (FT) 56 GHz with a deviation of 7% of the worth

of a model developed by IBM.

  Keywords: HBT’s SiGe, Poisson Equation.

  ABSTRAK

Kinerja ideal dari Heterojunction Bipolar Transistor (HBT’s SiGe) adalah Threshold Frequency ( ft )

dan Maximum Frequency ( fmax ) serta Current Gain yang tinggi. Untuk mendapatkan unjuk kerja

yang tersebut dapat digunakan pendekatan physic yaitu heavy doping pada emitter dan lebar basis

dibuat sempit (narrow base width).

  Pada riset ini dilakukan rancangan HBT’s SiGe berdasarkan

pendekatan model tiga(3) dimensi hydrodynamic dengan pendekatan Poisson equation electron

transport. Simulasi menggunakan perangkat lunak Bipole3 dengan parameter masukan berdasarkan

model yang dikembangkan oleh IBM generasi pertama Hasil analisa dan pembahasan menunjukkan

bahw a hasil rancangan HBT’s SiGe menghasilkan frekuensi threshold (fT) 56 GHz dengan deviasi senilai 7% terhadap model yang dikembangkan oleh IBM .Kata kunci:

  HBT’s SiGe, Persamaan Poisson .

  PENDAHULUAN

  Sejak tahun 1989 IBM memulai backbone dalam mendukung kemajuan memproduksi devais transistor dengan Teknologi. struktur material Silikon dan Germanium

  Pada saat ini riset-riset HBT (SiGe) pada basis untuk selanjutnya

  SiGe yang lalu telah dikembangkan oleh devais ini disebut Heterojunction Bipolar berbagai institusi antara lain IBM,

  Transistor Silikon Germanium atau HBT Infineon, Australia Microsystem (AMS),

  SiGe. [1] Teori HBT SiGe dikembangkan Hitachi, dan lainnya. HBT SiGe dengan dan dipublikasikan oleh Kroemer, [2] kinerja frekuensi yang tinggi dapat penggunaan heterostruktur Silikon - diperoleh dengan mengatur lebar basis,

  Germanium material pada Heterojunction mengatur fraction mole (x) pada Bipolar Transistor (HBT) ini adalah

  Germanium pada pencampuran Silikon lompatan yang besar dalam serta mengatur profil Ge pada basis [3] perkembangan devais elektronika sebagai serta ketebalan spacer diantara base emitter. Dengan berkembangnya teknologi litografi maka sejak akhir 1990-an mulai dilakukan penskalaan

  . [9]

  Beberapa hasil penelitian HBT SiGe untuk pencapaian unjuk kerja frekuensi treshold (f

  out vertical

  β) dan Noise Figure (Fn). Gambar 1(a)(b)(c) dan (d) menunjukkan model HBT SiGe yang terdiri dari dimensi lateral, vertikal, profile impurity dan lay

  gain (

  ), current

  maks

  ), oscilasi maksimum (f

  T

  Pendekatan ini didasarkan pada bentuk fisik rancangan devais yang meliputi bentuk geometris , lateral , vertikal dan skema pertumbuhan layer pada HBT SiGe. Besarnya doping elektron pada bagian basis, kolektor, emiter serta mole fraction (x) germanium pada silikon pada bagian basis serta ukuran dan besarnya nilai parameter fisik dapat menentukan unjuk kerja yang optimal yaitu frekuensi treshold (cutoff) (f

  a) Geometris HBTSiGe.

  (f maks ) yang telah dilakukan ditunjukkan pada Gambar 2.2 Rekor pencapaian frekuensi HBT tertinggi Silikon- Germanium (SiGe) yang dikembangkan oleh IBM mencapai frekuensi treshold maksimum 350 GHz dan frekuensi osilasi maksimum f max 285 GHz.[ 17]

  T ) dan maksimum

  IBM mengembangkan SiGe HBT dengan berdasarkan pada teknologi BICMOS saat ini telah dan akan dikembangkan dengan perubahan pada lithographi sampai 0,5µm yang digunakan pada teknologi radar yang bekerja pada frekuensi treshold (f T ) 80 Giga Herzt. Radio Frequency Technologi dari Siemens mengembngkan HBT SiGe dengan Teknologi BIP-CMOS atau BICMOS dengan lithograpi 0,35µm , yang bekerja 75 Giga Hertz.

  pada arah lateral (lateral scaling), ini dimaksudkan untuk memperkecil komponen parasitik seperti dilakukan oleh Freeman [4] [5], beberapa hasil kajian unjuk kerja HBT SiGe dengan mengembangkan teknologi litografi dikembangkan oleh IBM 0,12 m [6] dan Hitachi 0,2 m [7]. Ada beberapa pendekatan model matematis dalam perancangan HBT SiGe antara lain DD drift-diffusion (DD) untuk model satu(1) dimensi, energy-transport (ET) model dua (2) dimensi dan hydrodynamic ( HD) model tiga(3) dimensi. [8]

  Technology Road map for Semiconductor (ITRS) dengan provider

  HBT SiGe untuk dikembangkan pada TeraHerzt devices berbasus pada perkembangan CMOS technology, serte mengembangkan HBT SiGe dengan penambahan material C (carbon) pada lapisan basis , SiGeC HBT. International

  Innovations for High Performance microelectronics (IHP), mengembangkan

  0.4 GHz, 0.4 sd. 30 GHz, dan 30 sd. 300 GHz. [16]

  0.8 GHz sampai dengan 100 GHz, untuk kemudian pada tahun 2011 roadmaps diarahkan band frekuensi kerja dari 0 sd.

  networks (PAN), phased array RF systems , emerging wireless communication , radar, dan imaging applications dengan frekuensi kerja dari

  (WLANs), wireless personal area

  Technologi wireless , antara lain cellular phones, wireless local area networks

  material Silikon (Si), Silikon

  wireless communication yang berbasis

  Road Map Microelectronics yang dikembangkan oleh IHP (Innovations for High Performance microelectronics) dari Technologiepark 2515236 Frankfurt, yang memiliki kompetensi di bidang pengembangan teknologi frekuensi tinggi, telah mengembangkan broadband

• – Germanium (SiGe) dan Silikon- Germanium-Carbon (SiGe-C). [15] Kemudian International Technology Road map for Semiconductor (ITRS) memetakan bahwa HBT SIGe dikembangkan kearah teknologi BICMOS (Bipolar CMOS) yang merepresentasikan pada perkembangan Radio Frequency (RF) untuk memenuhi kebutuhan

  Gambar 3 Profil doping beserta daerah netral Gambar 2a. Dimensi Lateral . dan space charge region.[9]

  [alamsyah,tossin ,2009 ] Gambar Gambar 4 menunjukkan _emitter pendekatan geometris dari HBT SiGe _{collector base base} dengan mempresentasikan secara tiga(3) _Si dimensi yaitu arah vertikal, sumbu z _{SiGe p+} yang menunjukkan nilai konsentrasi

  Si n- SiGe

  doping elektron, pada sumbu x merepresentasikan arah lateral yang

  Si n-

  menunjukkan panjang dari finger kolektor , base dan emiter. Kemudian pada arah y (veritkal) menunjukkan

  Burried layer / subtrat Si p-

  ketebalan dari base,emiter dan kolektor yang dinyatakan dalam nanometer. Dari Gambar 2b. Dimensi Lateral mengamati pola geometris HBT SiGe

  [alamsyah,tossin 2009] tersebut dapat dinayatakan bahwa

  electron transport yang terjadi

  Pada profil impurity yang merupakan penjumlahan total charge ditunjukkan oleh Gambar 3, Profil doping elektron yang terdistribusi pada bagian x, terbagi dalam area netral dan space y dan z yang sesuai dengan “the second

  charge region (scr). [10] Pada arah

  uniqueness theorem dari Poisson vertikal (arah-x), program simulasi

  equation

  ”, yaitu ;[10] Bipole3 membagi divais menjadi 5 daerah

  

  yaitu: 1) emiter netral, 2) emiter-basis 

  Sumbu z (1a)  E .  ₁

  SCR, 3) basis netral, 4) basis-kolektor 

  SCR dan 5) kolektor netral, di area ini

  . sumbu x (1b)  E  ₂

   elektron bergerak dengan prilaku khusus sehingga setiap area memilki transit time

  

   E .  sumbu y (1c) ₃

  tertentu yang sangat berpengaruh pada  respon frekuensi yaitu f T dan f maks .

   N eff adalah Doping elektron yang menyebabkan band gap narrowing. Dengan demikian dapat diturunkan menjadi Persamaan 6a,b,c dan d.; METODOLOGI.

  Metode penelitian akan diuji coba pada rancangan model HBT SiGe dengan menggunakan tools Software yang Bipole3 yang mengadopsi poisson

  Gambar 4. Pendekatan Geometris HBT SiGe

  equation sebagai pola pendekatannya.[12][9] Data rancangan

b) Persamaan Poisson

  sekunder berdasarkan dari model Dari pendekatan geometris HBT rancangan HBT SiGe IBM generasi

  SiGe yang bertujuan untuk mengetahui pertama, hal ini disebabkan data-data perilaku elektron transport dalam HBT dari model inilah yang tersedia pada SiGe dapat dihasilkan persamaan 2 yang jurnal-jurnal IEEE dengan A 0.25 µm.

  e

  diturunkan berdasarkan pada Pendekatan Program simulator dirancang khusus Geometri HBT Vertikal (N) dan sumbu Y. dengan pendekatan hydrodinamik

  Persamaan 2 berikut menunjukkan dengan persamaan elektron transport kondisimuatan menunjukkan kondisi berdasarkan pada persamaan Poisson. muatan pada profil doping yang berkaitan dengan space charge region (scr), pada

  dE q

  sisi n (elektro).  (6a)

  dx N   x  n   x  

     J x dn  eff     n  eff _n

   n  dN    N 

            (6b) dx N  2 n qD N  n dx

   eff  n  eff           

    N p J dN _{eff p J eff}      

  

  (2) dp p p

          n    

                  dx N 2 p qD qD N p N n dx

      eff  p n d  eff 

             

  Maka dapat diturunkan pula prilaku hole   (6c)

  (p) seperti pada persamaan 3 berikut;

  J  qv     x E x _{n d} (6d)

  Langkah lain yang dilakukan adalah (a) merencanakan profil doping HBT SiGe acuan yang sesuai dengan data eksperimen HBT SiGe buatan IBM.,

  (3)

  dengan beberapa penyesuaian.. (b)

  dE

  ( q ) N ( x ) n ( x )     (4) menentukan konsentrasi doping poli-Si

  dx

  21

  3

  simulasi adalah 10 cm . (c)

  J qv ( x ) E ( x ) _{n d}  (5)

  menentukan pertemuan antara bahan tipe-n yang diberi doping As dan tipe-p

   D n koefisien Diffusi elektron ,

  yang diberi doping B, kemiringan profil

   D/ μ = kT/q , dengan μ adalah doping emiter dalam simulasi diatur agar mobilitas elektron yang ditentukan

  berpotongan dengan profil doping basis besarnya doping. sesuai Gummel Plot IBM. [13][14]

  qD n  _{pE i  } qV  BE 

  ² 

  J   exp 

  1 Beberapa parameter yang akan diamati B , dif    

  N W kT _{E e}    

  adalah transport elektron dan parameter (7b) output arus kolektor dan basis (I C dan I B ) serta

  current gain (β) , frekuensi treshold (f ).

  T HASIL DAN PEMBAHASAN Merencanakan profil doping HBT SiGe acuan yang sesuai dengan data eksperimen

  HBT SiGe buatan IBM pada arah vertikal [12] , dengan beberapa penyesuaian yang dilakukan antara lain,. Pertemuan antara poli- Si (polysilicon) dan mono-Si (single crystal silicon ) ditandai dengan adanya tekukan pada daerah pertemuan, dalam hal ini tekukan tersebut dianggap tidak aktif secara elektrik kemudian konsentrasi doping polisilikon _{21 3} Gambar 5 . Kalibrasi profil Ge HBT

  10 cm serta pertemuan antara bahan tipe-n

  SiGe

  yang diberi doping As dan tipe-p yang diberi doping

  B, kemiringan profil doping emiter dalam simulasi diatur agar berpotongan dengan profil doping basis pada daerah lekukan seperti diperlihatkan pada Gambar 5, dengan garis yang berwarna adalah pendekatan model yang dilakukan.

  Gambar 6 menunjukkan diagram doping N pada daerah netral dan aktif, _eff seperti dinyatakan pada Gambar 3 diatas.

  Daerah emiter netral dari gambar model ini sekitar 0,04 micron , basis netral 0,06 micron dan kolektor netral 0,3 mikron, sedangkan untuk daerah aktif atau scr (space charge region) emiter-basis scr sekitar 0,01 mikron dan basis-kolektor SCR 0,003 mikron. Doping Gambar 6. Diagram Doping pada daerah pada daerah netral akan lebih timggi Netral dan aktif (effektif) model HBT SiGe dibanding pada daerah aktif, hal ini terjadi karena pada daerah aktif mempunyai

  Sehingga current gain (Jc/Jb) memenuhi ketebalan yang lebih tipis dibanding pada persamaan ; daerah netral. Net doping untuk daerah netral pada bagian emiter-basis-kolektor masing-

   E

  D w g _{21 -3 18 -3 nB e}  hfe (  )  exp( ) masing adalah 10 cm ; 0,8.10 cm dan _{17 -3}

  D w kT _{pE b} 0,8.10 cm sedangkan untuk daerah aktif _{18 17 17 -3} (8) adalah 0,2.10 ; 0,5.10 dan 0,2.10 cm .

  Persamaan densitas arus kolektor (Jc) dan Gambar 7 menunjukkan karakteristik basis (Jb) pada HBT SiGe dinyatakan oleh output dari hasil rancangan HBT SiGe yang Persamaan 7a dan 7b . menunjukkan fungsi arus I C dan I B terhadap _{nB i  BE }  qD  n e qV ^{2 g , HD g , Ge tegangan basis-emiter (V BE ). Daerah knee (  E   E ) / kT}  terjadi ketika V < 0,9 volt, besar I pada

  J exp

  1 BE C _{C , HBT  }     N W kT _{B b  }

    tegangan ini adalah 0,05 Ampere, untuk

  (7a) seterusnya arus kolektor dan basis naik secara perlahan-lahan.

  Gambar

  8. Current gain (β) ac dan dc terhadap Arus kolektor (I C ). Gambar 7. Arus kolektor (I ) dan arus basis _C (I B ) terhadap tegangan V BE .

  Gambar 8 menunjukkan karakteristik output current gain (β) dc dan ac terhadap tegangan basis-emiter (V ), current gain _{BE (β)} terbtingi dicapai sebesar 105 pada saat besar arus kolektor I C mencapai 0,00001 Amper, untuk selanjutnya β ac maupun dc akan turun ketika arus kolektor I C mencapai dinaikkan atau diturunkan sesuai perubahan pada tegangan basis emiter (V ). _BE Gambar 9 menunjukken perbandingan hasil simulasi frekuensi treshold (f T ) dibandingkan dengan parameter model IBM mempunyai deviasi sekitar 7% hal ini disebabkan adanya parameter fisika yang tidak dapat dimasukkan dalam perhitungan

  Gambar 9. Perbandingan hasil rancangan

  karena keterbatasan kemampuan program

  Frekuensi treshold (f ) terhadap Arus

  T Bipole3, yaitu nilai effective density of state

  kolektor (I C ) dan Model IBM

  pada pita konduksi [Raymond, Je et all, 1996.]. Perbandingan N c dan N v bahan SiGe dan Si ( ) jika  dimasukkan dalam

  KESIMPULAN. perhitungan maka secara keseluruhan nilai I C yang diperoleh dari hasil simulasi lebih

  Dengan pendekatan Poisson rendah menjadi 6% dari I eksperimen. _C

  equation electron ransport , perancangan

  Heterojunction Bipolar Transistor Silikon Germanium (HBT’s SiGe) yang digunakan sebagai basis perhitungan dalam rancangan HBT SiGe yang diadopsi oleh tool Bipole3 serta data masukan berdasarkan pada Gummel

  Plot

  IBM profil SiGe HBT Desember 2003 [7]. Washio K., dkk, “A 0.2-m 180-

  GHz-fmax and 6.7-ps ECL SOI/HRS Self-Aligned SEG SiGe HBT/CMOS Technology for Microwave and High Speed Digital Application

  [6]. Lu Yuan, dkk,

UCAPAN TERIMA KASIH

  Ucapan terima kasih DP2M Dikti yang telah memberikan bantuan dana dalam melaksanakan Penelitian Fundamental dengan kajian HBT SiGe.

  Trans. on Electron Dev. Vol.49, No.2, 2002.

  ,” IEEE

  menghasilkan parameter keluaran frekuensi threshold (f T ) sebesar 56 GHz dengan perbedaan deviasi sebesar 7% dibanding model rancangan yang dikembangkan oleh IBM.

  “Proton Tolerance of Third-Generation, 0.12 _m 185 GHz SiGe HBTs”, IEEE Transaction on Nuclear Sience , VOL. 50, NO. 6,

DAFTAR ACUAN

  Disertasi, Delft University of Technology, 1997

  diakses bulan Juli 2007. [13]. Palankovski, V.,

  Bipole3 User”s Manual , Bipsim Inc., Canada, 2006.

  [10]. Kwok, K.H., Analytical Expression

  of Base Transit Time for SiGe HBTs with Retrograde Base Profiles, Solid State Electronics,

  Vol. 43, p.275-283, 1999 [11]. Erwin Kreszic” Adavanced Engineering Mathematics” Sixth Edition Wiley and Son 2006. USA

  [12]. J.Eberhardt, E. Kasper,

  “To the limit of SiGe Hetero Bipolar Transsistor : HBT Design over 200 Ghz”., University o Stuttgart,

  “Simulation of Heterojunction Bipolar Transistor ,

  ,” John Wiley & Sons, Inc., New York, 1999.

  http://www.iue.tuwien.ac.at/phd/pa lankovski/diss.html diakses pada

  16 Agustus 2007. [14]. 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. [15]. Tillack.Bernd ,

  “ IHP Technology Roadmap Update and Future

  [1]. Benedicte Le Tron, MD R Hashim,Peter Ashburn, Mirelli Mouis, Alan Chantre and Gilbert Vincent.

  [9]. Roulston D.J.,

  “SiGe, GaAs, and InP Heterojunction Bipolar Transistors

  [3]. B. Heinemann, D. Knoll, G. Fischer, D. Krüger, G. Lippert, H. J. Osten, H.

  Semiconductor Physics, Walter- Korsing-Str. 2,15230 Frankfurt (Oder).

  “Determination

  of Bandgap Narrowing and Parasitic Energy Barriers in SiGe HBT ,

  IEEE Transaction on Electron Devices , vol 44 , No. 5 May 1997.

  [2]. Hueting R.J.E., Charge Carrier

  Transport in Silicon Germanium Heterojunction Bipolar Transistors ,

  Rücker, W. Röpke, P. Schley, and B. Tillack “Control of Steep Boron

  [8]. Yuan J. S.,

  Profiles in Si/SiGe Heterojunction Bipolar Transistors” Institute for

  569

  , “A 0.18 m 90 GHz f T SiGe HBT BiCMOS, ASIC- Compatible , Copper Interconnect Technology for RF and Microwave Applications”, IEDM Tech. Digest,

  [4]. Freeman G., dkk

• – 572, 1999 [5]. Zhang S., dkk,

  “The Effects of Geometrical Scaling on The Frequency Response and Noise Performance of SiGe HBTs,

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

  ” IEEE

  Research Topics

  ,” 09. [16]. The International Technology

  Roadmap for Semiconductor (ITRS), 2011 edition, Radio Frequency and Analog/Mixed Signal Technologies for Communication.

  [17]. Yinggang Li, Harald Jacobsson, Mingquan Bao and Thomas Lewin SiGe

  ,”High-frequency MMICs - an Industrial Perspective “ Ericsson AB, Ericsson Research,

  MHSERC, SE-43184 Mölndal, Sweden, 2004