常見的幾種射頻半導(dǎo)體工藝

砷化鎵GaAs

半導(dǎo)體材料可以分為元素半導(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。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(chǎng)效晶體管(MESFET)或高電子遷移率晶體管(HEMT/PHEMT)，在3V電壓操作下可以有80%的功率增加效率(PAE:poweraddedefficiency)，非常的適用于高層(hightier)的無線通訊中長距離、長通信時(shí)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(chǎng)效應(yīng)晶體管，后演變?yōu)镠EMT(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(powerdensity)、電流推動(dòng)能力(currentdrivecapability)與線性度(linearity)均超過FET，適合設(shè)計(jì)高功率、高效率、高線性度的微波放大器，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(shì)，另外它可以單電源操作，因而簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)及次系統(tǒng)實(shí)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(hào)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(tái)，同時(shí)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。

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(shì)，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(Breakdownvoltage)過低等問題獲得改善而日趨實(shí)用。

目前，這項(xiàng)由IBM所開發(fā)出來的制程技術(shù)已整合了高效能的SiGeHBT(HeterojunctionBipolarTransistor)3.3V及0.5μm的CMOS技術(shù)，可以利用主動(dòng)或被動(dòng)組件，從事模擬、RF及混合信號(hào)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(shì)，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(diǎn)。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(jì)器件隨溫度的行為變化。SiGeBiCMOS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(gè)FET串聯(lián)來對(duì)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(jì)，而不適用于以模擬電路為主的射頻IC設(shè)計(jì)，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(shì)的引領(lǐng)下，RFCMOS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RFCMOS制程最大的好處，當(dāng)然是可以將射頻、基頻與存儲(chǔ)器等組件合而為一的高整合度，并同時(shí)降低組件成本。但是癥結(jié)點(diǎn)仍在于RFCMOS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RFCMOS制作射頻IC的產(chǎn)品多以對(duì)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(shí)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(jiān)冰已經(jīng)被打破。SiliconLabs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RFCMOS工藝的產(chǎn)品，而高通在收購Berkana后，也大力采用RFCMOS工藝，一批新進(jìn)射頻廠家無一例外都采用RFCMOS工藝，甚至是最先進(jìn)的65納米R(shí)FCMOS工藝。老牌的飛利浦、FREESCALE、意法半導(dǎo)體和瑞薩仍然堅(jiān)持用傳統(tǒng)工藝，主要是SiGeBiCMOS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(duì)新產(chǎn)品一向保守，對(duì)RFCMOS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RFCMOS工藝的收發(fā)器。目前來看，缺點(diǎn)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(jì)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(cè)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。

Ultra CMOS

SOI的一個(gè)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RFFET，對(duì)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，UltraCMOS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(gè)開關(guān)器件的BVDSS相對(duì)低些，但將多個(gè)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(jì)。當(dāng)器件外圍達(dá)到毫米級(jí)使總電阻較低時(shí)，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UltraCMOS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(gè)RF芯片上。該公司推出PE4272和PE4273寬帶開關(guān)例證了UltraCMOS的用處(見圖)。這兩個(gè)75Ω器件設(shè)計(jì)用于數(shù)字電視、PCTV、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(shí)大大減少了元器件的數(shù)量。

兩個(gè)器件1GHz時(shí)的插入耗損僅為0.5dB、P1dB壓縮率為32dBm、絕緣度在1GHz時(shí)高達(dá)44dB。兩種器件在3V時(shí)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(shí)，PE4272和PE4273的價(jià)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（PeregrineSemiconductorCorp.）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SiBJT(Si-BipolarJunctionTransistor)、SiCMOS、與結(jié)合Bipolar與CMOS特性的SiBiCMOS(SiBipolarComplementaryMetalOxideSemiconductor)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(jià)格方面都極具優(yōu)勢(shì)。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(huì)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(dòng)速度快、且集成度高的SiBiCMOS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(duì)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。

氮化鎵GaN

氮化鎵并非革命性的晶體管技術(shù)，這種新興技術(shù)逐漸用于替代橫向擴(kuò)散金屬氧化物硅半導(dǎo)體(Si LDMOS)和砷化鎵(GaAs)晶體管技術(shù)以及某些特定應(yīng)用中的真空管。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，氮化鎵(GaN)的優(yōu)勢(shì)在于更高的漏極效率、更大的帶寬、更高的擊穿電壓和更高的結(jié)溫操作，這些特點(diǎn)經(jīng)常作為推動(dòng)其批量生產(chǎn)的重要因素，但在價(jià)格、可用性和器件成熟度方面還需加以綜合考量。