淺析適用于射頻微波等高頻電路的半導(dǎo)體材料和工藝

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半導(dǎo)體材料是一類具有半導(dǎo)體性能(導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間，電阻率約在 1mΩ·cm～1GΩ·cm 范圍內(nèi))、可用來制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。按種類可以分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類，元素半導(dǎo)體指硅、鍺單一元素形成的半導(dǎo)體，化合物指砷化鎵、磷化銦等化合物形成的半導(dǎo)體。隨著無線通信的發(fā)展，高頻電路應(yīng)用越來越廣，今天我們來介紹適合用于射頻、微波等高頻電路的半導(dǎo)體材料及工藝情況。

砷化鎵 GaAs

砷化鎵的電子遷移速率比硅高 5.7 倍，非常適合用于高頻電路。砷化鎵組件在高頻、高功率、高效率、低噪聲指數(shù)的電氣特性均遠(yuǎn)超過硅組件，空乏型砷化鎵場效晶體管(MESFET)或高電子遷移率晶體管(HEMT/PHEMT)，在 3 V 電壓操作下可以有 80 %的功率增加效率(PAE: power addedefficiency)，非常的適用于高層(high tier)的無線通訊中長距離、長通信時間的需求。

砷化鎵元件因電子遷移率比硅高很多，因此采用特殊的工藝，早期為 MESFET 金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，后演變?yōu)?HEMT ( 高速電子遷移率晶體管)，pHEMT( 介面應(yīng)變式高電子遷移電晶體)目前則為 HBT ( 異質(zhì)接面雙載子晶體管)。異質(zhì)雙極晶體管(HBT)是無需負(fù)電源的砷化鎵組件，其功率密度(power density)、電流推動能力(current drive capability)與線性度(linearity)均超過 FET，適合設(shè)計高功率、高效率、高線性度的微波放器，HBT 為最佳組件的選擇。而 HBT 組件在相位噪聲，高 gm、高功率密度、崩潰電壓與線性度上占優(yōu)勢，另外它可以單電源操作，因而簡化電路設(shè)計及次系統(tǒng)實現(xiàn)的難度，十分適合于射頻及中頻收發(fā)模塊的研制，特別是微波信號源與高線性放大器等電路。

砷化鎵生產(chǎn)方式和傳統(tǒng)的硅晶圓生產(chǎn)方式大不相同，砷化鎵需要采用磊晶技術(shù)制造，這種磊晶圓的直徑通常為 4-6 英寸，比硅晶圓的 12 英寸要小得多。磊晶圓需要特殊的機(jī)臺，同時砷化鎵原材料成本高出硅很多，最終導(dǎo)致砷化鎵成品 IC 成本比較高。磊晶目前有兩種，一種是化學(xué)的 MOCVD，一種是物理的 MBE。

氮化鎵 GaN

在寬禁帶半導(dǎo)體材料中，氮化鎵(GaN)由于受到缺乏合適的單晶襯底材料、位錯密度大等問題的困擾，發(fā)展較為緩慢，但進(jìn)入 90 年代后，隨著材料生長和器件工藝水平的不斷發(fā)展，GaN 半導(dǎo)體材料及器件的發(fā)展十分迅速，目前已經(jīng)成為寬禁帶半導(dǎo)體材料中耀眼的新星。

GaN 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用首先是在發(fā)光器件領(lǐng)域取得重大突破的。1991 年，日本日亞(Nichia)公司首先研制成功以藍(lán)寶石為襯底的 GaN 藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)，之后實現(xiàn) GaN 基藍(lán)、綠光 LED 的商品化。該公司利用 GaN 基藍(lán)光 LED 和磷光技術(shù)，開發(fā)出了白光發(fā)光器件產(chǎn)品，具有高壽命、低能耗的特點。此外，還首先研制成功 GaN 基藍(lán)光半導(dǎo)體激光器。

用 GaN 基高效率藍(lán)綠光 LED 制作的超大屏幕全色顯示，可用于室內(nèi)室外各種場合的動態(tài)信息顯示。高效率白光發(fā)光二極管作為新型高效節(jié)能固體光源，使用壽命超過 10 萬小時，可比白熾燈節(jié)電 5～10 倍，達(dá)到了節(jié)約資源、減少環(huán)境污染的雙重目的。目前，GaN 基 LED 的應(yīng)用十分廣泛，您每天都可能會見到它的身影，在交通信號燈里、彩色視頻廣告牌上、小孩的玩具中甚至閃光燈里。GaN 基 LED 的成功引發(fā)了光電行業(yè)中的革命。GaN 基藍(lán)光半導(dǎo)體激光器主要用于制作下一代 DVD，它能比現(xiàn)在的 CD 光盤提高存儲密度 20 倍以上。

利用 GaN 材料，還可以制備紫外(UV)光探測器，它在火焰?zhèn)鞲?、臭?a target="_blank">檢測、激光探測器等方面具有廣泛的應(yīng)用。此外，在電子器件方面，利用 GaN 材料，可以制備高頻、大功率電子器件，有望在航空航天、高溫輻射環(huán)境、雷達(dá)與通信等方面發(fā)揮重要作用。例如在航空航天領(lǐng)域，高性能的軍事飛行裝備需要能夠在高溫下工作的傳感器、電子控制系統(tǒng)以及功率電子器件等，以提高飛行的可靠性，GaN 基電子器件將起著重要作用，此外由于它在高溫工作時無需制冷器而大大簡化電子系統(tǒng)，減輕飛行重量。

磷化銦 InP

磷化銦是繼硅和砷化鎵之后又一重要的Ⅲ一 V 族化合物半導(dǎo)體材料，幾乎在與鍺、硅等第一代元素半導(dǎo)體材料的發(fā)展和研究的同時，科學(xué)工作者對化合物半導(dǎo)體材料也開始了大量的探索工作。

磷化銦(InP)作為一種新型半絕緣晶片，它的出現(xiàn)對于改善和提高 InP 基微電子器件的性能具有重要的意義。這種通過高溫退火工藝所制備的半絕緣晶片既保持了傳統(tǒng)原生摻鐵襯底的高阻特性，同時鐵濃度大幅降低，電學(xué)性質(zhì)、均勻性和一致性顯著提高。目前半絕緣類型 InP 襯底的生產(chǎn)質(zhì)量亟待改善和提高。

原生半絕緣 InP 是通過在單晶生長過程中摻入鐵原子來制備的。為了達(dá)到半絕緣化的目的，鐵原子的摻雜濃度較高，高濃度的鐵很可能會隨著外延及器件工藝過程發(fā)生擴(kuò)散。而且由于鐵在磷化銦中的分凝系數(shù)很小，InP 單晶錠沿生長軸方向表現(xiàn)出明顯的摻雜梯度，頂部和底部的鐵濃度相差一個數(shù)量級以上，由其切割成的單晶片的一致性和均勻性就很難保證。就切割成的單個 InP 晶片而言，由于受生長時的固液界面的影響，鐵原子從晶片中心向外呈同心圓狀分布，這顯然也不能滿足一些器件應(yīng)用的需要。所有這些因素是目前制約半絕緣磷化銦單晶片生產(chǎn)質(zhì)量的最大障礙。

最近幾年國內(nèi)外的研究表明，通過在一定氣氛下高溫退火處理低阻非摻雜 InP 晶片所獲得的半絕緣襯底可以克服上述問題。在 InP 晶體中，半絕緣的形成機(jī)理大致可概括為兩個方面：一是通過摻入深受主(元素)補(bǔ)償淺施主來實現(xiàn)半絕緣態(tài)，原生摻鐵的半絕緣磷化銦就屬于這種情況;另一種是通過新缺陷的形成使淺施主的濃度降低，同時駐留的深受主(元素)也發(fā)生補(bǔ)償，非摻雜半絕緣磷化銦就屬于這一類，這種新缺陷可以在高溫退火以及輻照等過程中形成。根據(jù)這個思路，中科院半導(dǎo)體所的有關(guān)科研人員采取了三個步驟來制備非摻雜半絕緣磷化銦襯底：首先用液封直拉法拉制高純低阻非摻雜磷化銦單晶(表面為低阻)，然后將其切割成一定厚度的晶片并封裝在石英管內(nèi)，最后在合適的氣氛條件下進(jìn)行高溫退火處理。研究人員分別在純磷氣氛和磷化鐵氣氛下進(jìn)行了數(shù)十次退火比較實驗。經(jīng)過對比測試和分析發(fā)現(xiàn)，在磷化鐵氣氛下退火制備的半絕緣磷化銦晶片不僅缺陷少，而且具有良好的均勻性。

為了進(jìn)一步研究這種退火襯底對相鄰?fù)庋訉拥膶嶋H影響，研究人員使用分子柬外延技術(shù)分別在原生摻鐵的和磷化鐵氣氛退火制備的半絕緣磷化銦襯底上生長了相同的 InAlAs 外延層。測試結(jié)果表明后者更有利于生長具有良好結(jié)晶質(zhì)量的外延層。此外對這兩種襯底分別注入同樣劑量的 Si 離子和快速退火后，霍爾測試結(jié)果證實，后者可以較大幅度提高注入離子的激活效率。

磷化銦晶片常用于制造高頻、高速、大功率微波器件和電路以及衛(wèi)星和外層空間用的太陽能電池等。在當(dāng)前迅速發(fā)展的光纖通信領(lǐng)域，它是首選的襯底材料。另外 InP 基器件在 IC 和開關(guān)運(yùn)用方面也具有優(yōu)勢。這種新型半絕緣磷化銦晶片的研制成功，將在國防和高速通信領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。中國電子科技集團(tuán)第十三研究所使用這種新型半絕緣磷化銦純磷襯底成功制作了工作頻率達(dá) 100GHz 的高電子遷移率晶體管。

硅鍺 SiGe

1980 年代 IBM 為改進(jìn) Si 材料而加入 Ge，以便增加電子流的速度，減少耗能及改進(jìn)功能，卻意外成功的結(jié)合了 Si 與 Ge。而自 98 年 IBM 宣布 SiGe 邁入量產(chǎn)化階段后，近兩、三年來，SiGe 已成了最被重視的無線通信 IC 制程技術(shù)之一。

依材料特性來看，SiGe 高頻特性良好，材料安全性佳，導(dǎo)熱性好，而且制程成熟、整合度高，具成本較低之優(yōu)勢，換言之，SiGe 不但可以直接利用半導(dǎo)體現(xiàn)有 200mm 晶圓制程，達(dá)到高集成度，據(jù)以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)規(guī)模，還有媲美 GaAs 的高速特性。隨著近來 IDM 大廠的投入，SiGe 技術(shù)已逐步在截止頻率(fT)與擊穿電壓(Breakdown voltage)過低等問題獲得改善而日趨實用。

目前， 這項由 IBM 所開發(fā)出來的制程技術(shù)已整合了高效能的 SiGe HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)3.3V 及 0.5μm 的 CMOS 技術(shù)，可以利用主動或被動組件，從事模擬、RF 及混合信號方面的配置應(yīng)用。

SiGe 既擁有硅工藝的集成度、良率和成本優(yōu)勢，又具備第 3 到第 5 類半導(dǎo)體(如砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP))在速度方面的優(yōu)點。只要增加金屬和介質(zhì)疊層來降低寄生電容和電感，就可以采用 SiGe 半導(dǎo)體技術(shù)集成高質(zhì)量無源部件。此外，通過控制鍺摻雜還可設(shè)計器件隨溫度的行為變化。SiGe BiCMOS 工藝技術(shù)幾乎與硅半導(dǎo)體超大規(guī)模集成電路(VLSI)行業(yè)中的所有新技術(shù)兼容，包括絕緣體硅(SOI)技術(shù)和溝道隔離技術(shù)。

不過硅鍺要想取代砷化鎵的地位還需要繼續(xù)在擊穿電壓、截止頻率、功率消耗方面努力。

RF CMOS

RF CMOS 工藝可分為兩大類：體硅工藝和 SOI(絕緣體上硅)工藝。由于體硅 CMOS 在源和漏至襯底間存在二極管效應(yīng)，造成種種弊端，多數(shù)專家認(rèn)為采用這種工藝不可能制作高功率高線性度開關(guān)。與體硅不同，采用 SOI 工藝制作的 RF 開關(guān)，可將多個 FET 串聯(lián)來對付高電壓，就象 GAAS 開關(guān)一樣。

盡管純硅的 CMOS 制程被認(rèn)為僅適用于數(shù)字功能需求較多的設(shè)計，而不適用于以模擬電路為主的射頻 IC 設(shè)計，不過歷經(jīng)十幾年的努力后，隨著 CMOS 性能的提升、晶圓代工廠在 0.25mm 以下制程技術(shù)的配合、以及無線通信芯片整合趨勢的引領(lǐng)下，RF CMOS 制程不僅是學(xué)界研究的熱門課題，也引起了業(yè)界的關(guān)注。采用 RF CMOS 制程最大的好處，當(dāng)然是可以將射頻、基頻與存儲器等組件合而為一的高整合度，并同時降低組件成本。但是癥結(jié)點仍在于 RF CMOS 是否能解決高噪聲、低絕緣度與 Q 值、與降低改善性能所增加制程成本等問題，才能滿足無線通信射頻電路嚴(yán)格的要求。

目前已采用 RF CMOS 制作射頻 IC 的產(chǎn)品多以對射頻規(guī)格要求較為寬松的 Bluetooth 與 WLAN 射頻 IC，例如 CSR、Oki、Broadcom 等 Bluetooth 芯片廠商皆已推出使用 CMOS 制造的 Bluetooth 傳送器;英特爾公司宣布已開發(fā)出能夠支持當(dāng)前所有 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)(802.11a、b 和 g)并符合 802.11n 預(yù)期要求的全 CMOS 工藝直接轉(zhuǎn)換雙頻無線收發(fā)信機(jī)原型，包括了 5GHz 的 PA，并輕松實現(xiàn)了發(fā)送器與接收器功能的分離。而 Atheros、Envara 等 WLAN 芯片廠商也在最近推出全 CMOS 制程的多模 WLAN(.11b/g/a)射頻芯片組。

手機(jī)用射頻 IC 規(guī)格非常嚴(yán)格，但是堅冰已經(jīng)被打破。Silicon Labs 最先以數(shù)字技術(shù)來強(qiáng)化低中頻至基頻濾波器及數(shù)字頻道選擇濾波器功能，以降低 CMOS 噪聲過高的問題所生產(chǎn)的 Aero 低中頻 GSM/GPRS 芯片組，英飛凌立刻跟進(jìn)，也大量推出 RF CMOS 工藝的產(chǎn)品，而高通在收購 Berkana 后，也大力采用 RF CMOS 工藝，一批新進(jìn)射頻廠家無一例外都采用 RF CMOS 工藝，甚至是最先進(jìn)的 65 納米 RF CMOS 工藝。老牌的飛利浦、FREESCALE、意法半導(dǎo)體和瑞薩仍然堅持用傳統(tǒng)工藝，主要是 SiGe BiCMOS 工藝，諾基亞仍然大量使用意法半導(dǎo)體的射頻收發(fā)器。而歐美廠家對新產(chǎn)品一向保守，對 RF CMOS 缺乏信任，但是韓國大廠三星和 LG 還有中國廠家夏新和聯(lián)想，在成本壓力下，大量采用 RF CMOS 工藝的收發(fā)器。目前來看，缺點可能是故障率稍高和耗電稍大，并且需要多塊芯片，增加設(shè)計復(fù)雜程度。但仍在可忍受的范圍內(nèi)。

其他應(yīng)用領(lǐng)域還包括汽車的安全雷達(dá)系統(tǒng)，包括用于探測盲區(qū)的 24GHz 雷達(dá)以及用于提供碰撞警告或先進(jìn)巡航控制的 77GHz 雷達(dá);IBM 在此領(lǐng)域具備領(lǐng)導(dǎo)地位，2005 年推出的第四代 SIGE 線寬有 0.13 微米。

Utra COMS

SOI 的一個特殊子集是藍(lán)寶石上硅工藝，在該行業(yè)中通常稱為 Ultra CMOS。藍(lán)寶石本質(zhì)上是一種理想的絕緣體，襯底下的寄生電容的插入損耗高、隔離度低。Ultra CMOS 能制作很大的 RF FET，對厚度為 150~225μm 的正常襯底，幾乎不存在寄生電容。晶體管采用介質(zhì)隔離來提高抗閂鎖能力和隔離度。為了達(dá)到完全的耗盡工作，硅層極薄至 1000A。硅層如此之薄，以致消除了器件的體端，使它成為真正的三端器件。目前，Ultra CMOS 是在標(biāo)準(zhǔn) 6 寸工藝設(shè)備上生產(chǎn)的，8 寸生產(chǎn)線亦已試制成功。示范成品率可與其它 CMOS 工藝相媲美。

盡管單個開關(guān)器件的 BVDSS 相對低些，但將多個 FET 串聯(lián)堆疊仍能承愛高電壓。為了確保電壓在器件堆上的合理分壓，F(xiàn)ET 至襯底間的寄生電容與 FET 的源與漏間寄生電容相比應(yīng)忽略不計。當(dāng)器件外圍達(dá)到毫米級使總電阻較低時，要保證電壓的合理分壓，真正的絕緣襯底是必不可少的。

Peregrine 公司擁有此領(lǐng)域的主要專利，采用 Ultra CMOS 工藝將高 Q 值電感和電容器集成在一起也很容易。線卷 Q 值在微波頻率下能達(dá)到 50。超快速數(shù)字電路也能直接集成到同一個 RF 芯片上。該公司推出 PE4272 和 PE4273 寬帶開關(guān)例證了 UltraCMOS 的用處。這兩個 75Ω 器件設(shè)計用于數(shù)字電視、PC TV、衛(wèi)星直播電視機(jī)頂盒和其它一些精心挑選的基礎(chǔ)設(shè)施開關(guān)。采用單極雙擲格式，它們是 PIN 二極管開關(guān)的很好的替代品，它們可在改善整體性能的同時大大減少了元器件的數(shù)量。

兩個器件 1GHz 時的插入耗損僅為 0.5dB、P1dB 壓縮率為 32dBm、絕緣度在 1GHz 時高達(dá) 44dB。兩種器件在 3V 時靜態(tài)電流僅為 8μA、ESD 高達(dá) 2kV。PE4273 采用 6 腳 SC-70 封裝，絕緣值為 35dB。PE4272 采用 8 腳 MSOP 封裝，絕緣值為 44dB。10K 訂購量時，PE4272 和 PE4273 的價格分別為 0.45 和 0.30 美元。

和 Peregrine 公司有合作關(guān)系的日本沖電氣也開發(fā)了類似產(chǎn)品，沖電氣稱之為 SOS 技術(shù)，SOS 技術(shù)是以“UTSi”為基礎(chǔ)開發(fā)的技術(shù)?！癠TSi”技術(shù)是由在 2003 年 1 月與沖電氣建立合作關(guān)系的美國派更半導(dǎo)體公司(Peregrine Semiconductor Corp.)開發(fā)的。在藍(lán)寶石底板上形成單晶硅薄膜，然后再利用 CMOS 工藝形成電路。作為采用具有良好絕緣性的藍(lán)寶石的 SOS 底板，與硅底板和 SOI(絕緣體上硅)底板相比，能夠降低在底板上形成的電路耗電量。沖電氣開發(fā)的 RF 開關(guān)的耗電電流僅為 15μA(電源電壓為 2.5～3V)，與使用 GaAs 材料的現(xiàn)有 RF 開關(guān)相比，耗電量降到了約 1/5。

Si BiCMOS

以硅為基材的集成電路共有 Si BJT(Si-Bipolar Junction Transistor)、Si CMOS、與結(jié)合 Bipolar 與 CMOS 特性的 Si BiCMOS(Si Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor)等類。由于硅是當(dāng)前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)應(yīng)用最為成熟的材料，因此，不論在產(chǎn)量或價格方面都極具優(yōu)勢。傳統(tǒng)上以硅來制作的晶體管多采用 BJT 或 CMOS，不過，由于硅材料沒有半絕緣基板，再加上組件本身的增益較低，若要應(yīng)用在高頻段操作的無線通信 IC 制造，則需進(jìn)一步提升其高頻電性，除了要改善材料結(jié)構(gòu)來提高組件的 fT，還必須藉助溝槽隔離等制程以提高電路間的隔離度與 Q 值，如此一來，其制程將會更為復(fù)雜，且不良率與成本也將大幅提高。

因此，目前多以具有低噪聲、電子移動速度快、且集成度高的 Si BiCMOS 制程為主。而主要的應(yīng)用則以中頻模塊或低層的射頻模塊為主，至于對于低噪聲放大器、功率放大器與開關(guān)器等射頻前端組件的制造仍力有未逮。

審核編輯 黃昊宇