砷化鎵 (GaAs) 和異質介面雙極電晶體(Hetero-junction Bipolar Transistor, HBT)技術的結合，不但能在多元的應用上提供卓越的性能，並且由於元件較嚴謹的直流特性與射頻參數的分佈特性、較小的晶粒尺寸、較高的製作可重覆性，使得生產成本大大下降。這些特點同其他射頻積體電路相比是非常受歡迎的。

《圖一　磷化銦鎵(InGaP)HBT的結構》

砷化鋁鎵

傳統的砷化鋁鎵(AlGaAs)HBT結構比較常見。早期，這種結構裏的P＋基極區需要使用分子束磊晶MBE(molecular beam epitaxy)設備摻雜金屬元素鈹(Be)。這種技術可以提供增強的性能，並且降低製作成本。

《圖二　磷化銦鎵HBT可靠度測試圖》

砷化鋁鎵發展瓶頸

然而這種技術也產生了兩個特殊、並且已經廣為所知的問題。第一，作為摻雜物鈹是一種極小的原子物質，活性強、擴散比較快。工作時在接面溫度的升高和接面電流密度的增加會加速這種現象，引起直流增益(beta)的下降。

第二個問題是，AlGaAs HBT 的射極與基極接面附近的基極表面也是相對不穩定的(表面融合)。這就需要一種精密的鈍化技術(邊緣鈍化)以減少這種表面結構重組的影響。這種表面融合現象在使用中會引起基極電流增大造成的增益下降。

磊晶技術克服難題

第一個問題可以通過改變基極的摻入物質來解決。我們採用原子大得多也較安定的物質－碳(C)。由於碳的熔點很高，加工過程就不能採用MBE方式。目前利用有機金屬氣相沉積MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)磊晶技術可以克服這個困難。

採用MOCVD製程是正確方向的第一步。但是增益下降的另一個原因：AlGaAs HBT基極接面附近的表面融合現象沒有解決。通過射極接面的電流密度越大，長時間以後增益下降的現象越嚴重。在持續的電流、高溫的環境等實際的應用中是很容易受到影響的，例如：無線應用以及光纖、CATV等基站設備。幸運的是，磷化銦鎵InGaP(Indium Gallium Phosphide)HBT被證明是有效地解決這個問題的方法。

把AlGaAs射極改成 InGaP射極，能得到一個穩定、可靠的解決方案。InGaP HBT在光纖通信領域自從1990年代開始就被成功應用，其結構如(圖一)所示。

《圖三　磷化銦鎵HBT壽命預測及量測》

研發磷化銦鎵

MBE AlGaAs材料較高的接面溫度(Tj)引起的潛在的可靠性問題，在某些應用中曾經被注意到過。因此，生產商決定採用 MOVCD InGaP HBT材料，並且在電路設計中特別注意射極區的接面溫度，是一個明智的決定。其結果是非常受歡迎的。

由於在普通的條件下InGaP HBT沒有增益下降的現象，因此在測試MTTF的時候，採用的是較為嚴苛應力篩選的條件。(圖二)顯示了三種InGaP HBT樣本的測試結果，這三種樣本使用陶瓷材料封裝。記錄下它們的加速生命週期測試中電流密度和Tj條件。

到2000年10月1日，偏壓電流密度為25KA/cm2和50 KA/cm2 的兩個樣本已經工作超過了6500小時，大部分都維持正常的特性。只有工作在75 KA/cm2、並且Tj為330oC的一部分樣本，發生了明顯的增益下降現象。把增益下降20％作為失效點，在這樣嚴格條件下的MTTF大約是3200小時。

《圖四　EC1019寬帶放大器積體電路的接面溫度剖面分布圖》

結論

如(圖三)所示，在電流密度為75KA/cm2、Tj為125oC、保守的將啟動能量(activation energy)設定為0.8eV，所計算得到MTTF長達740萬小時！得到這麼高的可靠性是來自於一個正常的偏壓狀態下，具有相當低的接面溫度。

這是因為電路設計中特別注意了溫度因素考量，使射極結構下的接面溫度相當的低。(圖四)是用紅外線掃描顯微鏡攝製的照片，顯示了EC1019(寬帶放大器)工作時令人很低的接面溫度特性。圖中溫度最高的區域是白線所在的射極接面。

這項資料同時驗證了電路設計中的目標：接面溫度不超過125oC。這些圖片充分證明在MOCVD InGaP HBT技術，和電路設計中溫度因素仔細考量兩者結合下，提供了MMIC製作和應用的優越特性。(作者任職於易馳科技股份有限公司)