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第一章　SiGe技术的发展及其应用概述 1

1.1　SiGe器件 2

1.1.1　SiGe双极型器件 2

1.1.2　SiGe场效应器件 5

1.1.3　SiGe光电器件 7

1.1.4　其他SiGe器件 8

1.2　SiGe-HBT的主要应用 9

1.2.1　SiGe放大器 12

1.2.2　SiGe-A/D转换器 13

1.2.3　SiGe振荡器 14

1.2.4　SiGe混频器和倍增器、倍减器 14

1.2.5　SiGe-HBT的其他应用 15

1.3　IBM SiGe技术的早期历史 16

1.3.1　SiGe技术的起源 16

1.3.2　SiGe-UHV/CVD技术的发明 16

1.3.3 最早采用UHV/CVD技术制作的Si外延基区晶体管 17

1.3.4　IBM最早的SiGe基区晶体管 17

1.3.5　PNP-SiGe晶体管 18

1.3.6　fT为75GHz的SiGe基区晶体管 18

1.3.7　SiGe外延基区晶体管（ETX） 18

1.3.8　SiGe技术的后续工作 18

1.4　SiGe的主要厂商、工艺及代表产品 19

1.4.1　SiGe技术的两种主要工艺 19

1.4.2　IBM的SiGe-BiCMOS工艺及产品 20

1.4.3　Atmel的SiGe技术 24

1.4.4　Maxim的SiGe技术 26

1.4.5　Jazz半导体公司的SiGe技术 26

1.4.6　TSMC（台积电）的SiGe技术 27

1.4.7　SiGe半导体公司 27

1.4.8　Sirenza Microdevices的SiGe技术 28

1.5　SiGe技术的市场和前景 29

1.6　SiGe薄膜的制备工艺概述 30

1.7　开发SiGe-HBT工艺的途径 32

1.7.1　采用低温外延技术淀积SiGe 32

1.7.2　SiGe-BiCMOS的工艺集成 33

1.7.3　SiGe-HBT的制作 34

1.7.4　其他元件的工艺技术 34

1.8　SiGe技术的国内发展动态 34

参考文献 36

第二章　Si1-xGex的基本物理特性 37

2.1　Si1-xGex合金的晶格和一般性质 37

2.1.1　Si1-xGex合金的相图 37

2.1.2　Si1-xGex合金的晶体结构 38

2.1.3　Si1-xGex合金的力学性质 39

2.1.4　Si1-xGex合金的晶格失配和赝晶生长的临界厚度 41

2.1.5　SiGeC合金薄膜 45

2.2　Si1-xGex合金的能带和载流子 48

2.2.1　Si1-xGex体合金的能带结构 48

2.2.2　应变对Si1-xGex合金能带结构的影响 53

2.2.3 SiGeC合金的能带结构 61

2.2.4　Si1-xGex合金中载流子的有效质量 62

2.3　Si1-xGex合金中载流子的迁移率 65

2.3.1　Si1-xGex合金中载流子迁移率的概念 65

2.3.2　应变Si1-xGex合金中载流子的迁移率 66

2.3.3　SiGeC合金中载流子的迁移率 71

2.4　Si1-xGex合金的晶格振动和热力学性质 72

2.4.1　Si1-xGex合金中的声子及其色散关系 72

2.4.2　Si1-xGex合金的热学性质 75

2.5　Si1-xGex合金的光学特性 77

2.5.1　Si1-xGex合金的折射率和光吸收系数 77

2.5.2　Si1-xGex合金的声子散射光谱 82

2.5.3　Si1-xGex合金的带边发光光谱 85

参考文献 89

第三章　应变硅技术原理 91

3.1　影响载流子迁移率的主要因素 92

3.1.1　载流子有效质量 92

3.1.2　载流子遭受散射的概率 94

3.2　应变对载流子迁移率的影响 94

3.2.1　应变Si中电子的迁移率 94

3.2.2　应变Si中空穴的迁移率 98

3.2.3　外加应变对Si载流子迁移率的影响 101

3.2.4　应变增强载流子迁移率的机理 103

3.3　应变Si器件简介 105

参考文献 113

第四章　SiGe异质结构 114

4.1　半导体异质结的基本概念 114

4.2　Si/Si1-xGex异质结 118

4.2.1　Si1-xGex异质结的能带配置 118

4.2.2　Si/Si1-xGex异质结带边的能量突变量 119

4.3　Si-Ge量子阱 124

4.3.1　SiGe/Si量子阱的带边发光 125

4.3.2　SiGe/Si量子阱的子带间跃迁的光吸收 128

4.4　Si-Ge超晶格 131

4.4.1　SiGe超晶格的应变对称外延技术 131

4.4.2　Si-Ge短周期超晶格的能带结构和性质 133

4.4.3　Si-Ge短周期超晶格的非线性光学效应 135

4.4.4　Si-Ge短周期超晶格的发光特性 136

4.4.5　Si-Ge短周期超晶格的调制反射光谱 139

4.4.6　Si-Ge短周期超晶格的应用性能 140

4.5　Si/Si1-xGex异质结构中二维载流子气的磁输运性质 142

4.6　金属与应变Si1-xGex的接触 145

4.6.1　金属／Si1-xGex接触 145

4.6.2　金属／SiGeC接触 148

4.6.3　金属／应变Si的接触界面 149

4.7　Si1-xGex异质结构的应用举例 151

4.7.1　Si1-xGex双极反型沟道场效应晶体管 151

4.7.2　SiGe谐振隧穿二极管 154

4.7.3　多晶SiGe器件 160

4.7.4　SiGe-I2L逻辑器件 161

4.7.5　SiGe传感器件 162

4.7.6　SiGe红外探测器 163

参考文献 168

第五章　SiGe材料的主要制备技术 169

5.1　分子束外延 170

5.1.1　设备的基本构造 170

5.1.2　设备的校准 172

5.1.3　外延生长 174

5.2　化学气相淀积 180

5.2.1　超高真空化学气相淀积 180

5.2.2　减压化学气相淀积 182

5.2.3　低压化学气相淀积 184

5.2.4　快速热处理CVD 185

5.3　选择性外延生长技术 186

5.4　SiGe材料的表征技术 188

5.4.1　X射线衍射 188

5.4.2　原子力显微镜 190

5.4.3　霍耳测量 192

5.4.4　二次离子质谱 193

5.4.5　透射电子显微镜 193

参考文献 194

第六章　Si/SiGe异质结双极型晶体管 195

6.1　Si/SiGe异质结 196

6.1.1 Si/SiGe半导体异质结的注入比 196

6.1.2　理想突变SiGe异质结的伏安特性 200

6.2　Si/SiGe异质结双极型晶体管 201

6.2.1　HBT的增益 201

6.2.2　SiGe异质结双极型晶体管技术 203

6.2.3　Si/SiGe异质结双极型晶体管的频率特性 206

6.2.4　Si/SiGe异质结双极型晶体管的噪声 207

6.2.5　Si/SiGe异质结双极型晶体管的Early电压 226

6.3　SiGe-HBT技术的应用及发展趋势 230

6.3.1　SiGe-HBT技术在微波／射频通信领域中的应用 230

6.3.2　通信领域中微电子技术应用的现状及发展趋势——SiGe-BICMOS和RF-CMOS 233

6.4　SiGe-HBT的模拟与设计 250

6.4.1　双极型晶体管（BJT）模型 250

6.4.2　SiGe材料的物理参数模型 265

6.4.3　SiGe-HBT的模拟 272

6.5　SiGe-HBT基区、发射区和集电区的设计 273

6.5.1　SiGe-HBT基区的设计考虑 273

6.5.2　SiGe-HBT集电极的设计考虑 281

6.5.3　SiGe-HBT发射区的设计考虑 283

6.5.4　SiGe-HBT横向结构尺寸的设计考虑 283

6.6　SiGe-HBT及电路的材料参数设计和版图设计 285

6.7　SiGe-HBT及电路的制造工艺 287

6.7.1　SiGe台面器件的工艺流程 288

6.7.2　SiGe准台面器件的工艺流程及分立器件的制造工艺 291

6.7.3　SiGe-IC的研制技术 297

6.7.4　SiGe-HBT的欧姆接触和SiGe材料的干法／湿法腐蚀及其检测 300

6.7.5　SiGe-HBT的光刻技术 303

参考文献 306

第七章　Si/SiGe异质结场效应晶体管 309

7.1　SiGe异质结场效应晶体管概述 310

7.2　SiGe P沟道异质结场效应晶体管的设计考虑 315

7.2.1　SiGe层的厚度与Ge组分 315

7.2.2　氧化层和硅盖帽层的厚度 317

7.2.3　沟道掺杂和阈值电压调节 317

7.2.4　N+多晶硅栅与P+多晶硅栅 318

7.3　SiGe异质结场效应MOS晶体管的实践 319

7.3.1　Si1-xGexP型MOSFET 319

7.3.2　Ge沟道P-MOSFET 323

7.3.3　SiC/SiGeC沟道P型MOSFET 324

7.3.4　Si1-yCy的P-MOSFET 325

7.3.5　纵向MOSFET 328

7.3.6　应变硅P型异质结MOSFET 331

7.3.7　应变硅N型MOSFET 336

7.3.8　SOI/SOS上的MOSFET 339

7.4　SiGe异质结调制掺杂场效应晶体管的实践 341

7.4.1　SiGe沟道P-MODFET 341

7.4.2　SiGeP-MODFET的制造 342

7.4.3　应变Si N-MODFET 346

7.4.4　Ge沟道P-MODFET 348

7.4.5　互补的异质结MOSFET 349

7.4.6　性能比较 352

7.5　SiGe异质结场效应晶体管的应用概述 353

7.5.1　SiGe异质结场效应MOS晶体管的应用 353

7.5.2　SiGe异质结调制掺杂场效应晶体管的应用 353

参考文献 355

第八章　应变硅器件与电路 357

8.1　应变硅器件概述 358

8.1.1　产生应变的几种主要方法 358

8.1.2　应变Si/SiGeMOS器件的未来发展方向 358

8.2　应变Si-MOSFET 359

8.2.1　应变Si N-MOSFET 361

8.2.2 应变Si P-MOSFET 362

8.3　绝缘层上应变Si（SSOI）-MOSFET 364

8.4　直接绝缘层上应变Si 364

8.5　应变Si双极器件 365

8.6　模拟应用的应变Si器件 367

8.7　应变Si-HFET 368

8.8　Si/SiGe异质结CMOS 369

8.9　应变沟道功率MOSFET 370

8.10　绝缘层上SiGe（SGOI）衬底的制备 371

8.11　应变硅电路 373

8.11.1　环形振荡器 374

8.11.2　静态4-与非电路 375

8.11.3　自复位CMOS4-与非电路 376

8.11.4　锁存器 376

8.11.5　SOI上的应变Si电路 377

8.11.6　微处理器 377

参考文献 378

第九章　SiGe在光电子领域的应用 379

9.1　Si1-xGex的基本光学性质 380

9.2　SiGe光电探测器和红外探测器 381

9.2.1　量子效率、响应度和噪声 381

9.2.2　雪崩光电二极管 382

9.2.3　量子阱光电探测器 383

9.2.4　异质结光电三极管 384

9.2.5　MSM光电探测器 385

9.2.6　肖特基势垒光电探测器 388

9.2.7　异质结内光电发射探测器 388

9.2.8　Ge光电二极管 390

9.2.9　PIN光电二极管 391

9.2.10　微腔光电二极管 392

9.3　SiGe光电接收器 393

9.4　光波导、光开关和路由器 394

9.4.1　光波导 394

9.4.2　光波导开关 396

9.5　Si/SiGe量子级联激光器 397

9.6　SiGe-LED 397

9.7　SiGe太阳能电池 398

参考文献 400