砷化镓(GaAs) 和异质介面双极电晶体(Hetero-junction Bipolar Transistor, HBT)技术的结合，不但能在多元的应用上提供卓越的性能，并且由于元件较严谨的直流特性与射频参数的分布特性、较小的晶粒尺寸、较高的制作可重覆性，使得生产成本大大下降。这些特点同其他射频积体电路相比是非常受欢迎的。

《图一 磷化铟镓(InGaP)HBT的结构》

砷化铝镓

传统的砷化铝镓(AlGaAs)HBT结构比较常见。早期，这种结构里的P＋基极区需要使用分子束磊晶MBE(molecular beam epitaxy)设备掺杂金属元素铍(Be)。这种技术可以提供增强的性能，并且降低制作成本。

《图二 磷化铟镓HBT可靠度测试图》

砷化铝镓发展瓶颈

然而这种技术也产生了两个特殊、并且已经广为所知的问题。第一，作为掺杂物铍是一种极小的原子物质，活性强、扩散比较快。工作时在接面温度的升高和接面电流密度的增加会加速这种现象，引起直流增益(beta)的下降。

第二个问题是，AlGaAs HBT 的射极与基极接面附近的基极表面也是相对不稳定的(表面融合)。这就需要一种精密的钝化技术(边缘钝化)以减少这种表面结构重组的影响。这种表面融合现象在使用中会引起基极电流增大造成的增益下降。

磊晶技术克服难题

第一个问题可以通过改变基极的掺入物质来解决。我们采用原子大得多也较安定的物质－碳(C)。由于碳的熔点很高，加工过程就不能采用MBE方式。目前利用有机金属气相沉积MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)磊晶技术可以克服这个困难。

采用MOCVD制程是正确方向的第一步。但是增益下降的另一个原因：AlGaAs HBT基极接面附近的表面融合现象没有解决。通过射极接面的电流密度越大，长时间以后增益下降的现象越严重。在持续的电流、高温的环境等实际的应用中是很容易受到影响的，例如：无线应用以及光纤、CATV等基站设备。幸运的是，磷化铟镓InGaP(Indium Gallium Phosphide)HBT被证明是有效地解决这个问题的方法。

把AlGaAs射极改成 InGaP射极，能得到一个稳定、可靠的解决方案。 InGaP HBT在光纤通信领域自从1990年代开始就被成功应用，其结构如(图一)所示。

《图三 磷化铟镓HBT寿命预测及量测》

研发磷化铟镓

MBE AlGaAs材料较高的接面温度(Tj)引起的潜在的可靠性问题，在某些应用中曾经被注意到过。因此，生产商决定采用 MOVCD InGaP HBT材料，并且在电路设计中特别注意射极区的接面温度，是一个明智的决定。其结果是非常受欢迎的。

由于在普通的条件下InGaP HBT没有增益下降的现象，因此在测试MTTF的时候，采用的是较为严苛应力筛选的条件。 (图二)显示了三种InGaP HBT样本的测试结果，这三种样本使用陶瓷材料封装。记录下它们的加速生命周期测试中电流密度和Tj条件。

到2000年10月1日，偏压电流密度为25KA/cm2和50 KA/cm2 的两个样本已经工作超过了6500小时，大部分都维持正常的特性。只有工作在75 KA/cm2、并且Tj为330oC的一部分样本，发生了明显的增益下降现象。把增益下降20％作为失效点，在这样严格条件下的MTTF大约是3200小时。

《图四 EC1019宽带放大器集成电路的接面温度剖面分布图》

结论

如(图三)所示，在电流密度为75KA/cm2、Tj为125oC、保守的将启动能量(activati​​on energy)设定为0.8eV，所计算得到MTTF长达740万小时！得到这么高的可靠性是来自于一个正常的偏压状态下，具有相当低的接面温度。

这是因为电路设计中特别注意了温度因素考量，使射极结构下的接面温度相当的低。 (图四)是用红外线扫描显微镜摄制的照片，显示了EC1019(宽带放大器)工作时令人很低的接面温度特性。图中温度最高的区域是白线所在的射极接面。

这项资料同时验证了电路设计中的目标：接面温度不超过125oC。这些图片充分证明在MOCVD InGaP HBT技术，和电路设计中温度因素仔细考量两者结合下，提供了MMIC制作和应用的优越特性。 (作者任职于易驰科技股份有限公司)