浅析适用于射频微波等高频电路的半导体材料及工艺

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半导体材料是一类具有半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间,电阻率约在 1mΩ·cm~1GΩ·cm 范围内)、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。按种类可以分为元素半导体和化合物半导体两大类,元素半导体指硅、锗单一元素形成的半导体,化合物指砷化镓、磷化铟等化合物形成的半导体。随着无线通信的发展,高频电路应用越来越广,今天我们来介绍适合用于射频、微波等高频电路的半导体材料及工艺情况。 
 
砷化镓 GaAs
砷化镓的电子迁移速率比硅高 5.7 倍,非常适合用于高频电路。砷化镓组件在高频、高功率、高效率、低噪声指数的电气特性均远超过硅组件,空乏型砷化镓场效晶体管(MESFET)或高电子迁移率晶体管(HEMT/PHEMT),在 3 V 电压操作下可以有 80 %的功率增加效率(PAE: power addedefficiency),非常的适用于高层(high tier)的无线通讯中长距离、长通信时间的需求。 
 
砷化镓元件因电子迁移率比硅高很多,因此采用特殊的工艺,早期为 MESFET 金属半导体场效应晶体管,后演变为 HEMT ( 高速电子迁移率晶体管),pHEMT( 介面应变式高电子迁移电晶体)目前则为 HBT ( 异质接面双载子晶体管)。异质双极晶体管(HBT)是无需负电源的砷化镓组件,其功率密度(power density)、电流推动能力(current drive capability)与线性度(linearity)均超过 FET,适合设计高功率、高效率、高线性度的微波放器,HBT 为最佳组件的选择。而 HBT 组件在相位噪声,高 gm、高功率密度、崩溃电压与线性度上占优势,另外它可以单电源操作,因而简化电路设计及次系统实现的难度,十分适合于射频及中频收发模块的研制,特别是微波信号源与高线性放大器等电路。 
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砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同,砷化镓需要采用磊晶技术制造,这种磊晶圆的直径通常为 4-6 英寸,比硅晶圆的 12 英寸要小得多。磊晶圆需要特殊的机台,同时砷化镓原材料成本高出硅很多,最终导致砷化镓成品 IC 成本比较高。磊晶目前有两种,一种是化学的 MOCVD,一种是物理的 MBE。 
 
氮化镓 GaN
在宽禁带半导体材料中,氮化镓(GaN)由于受到缺乏合适的单晶衬底材料、位错密度大等问题的困扰,发展较为缓慢,但进入 90 年代后,随着材料生长和器件工艺水平的不断发展,GaN 半导体材料及器件的发展十分迅速,目前已经成为宽禁带半导体材料中耀眼的新星。 
 
GaN 半导体材料的应用首先是在发光器件领域取得重大突破的。1991 年,日本日亚(Nichia)公司首先研制成功以蓝宝石为衬底的 GaN 蓝光发光二极管(LED),之后实现 GaN 基蓝、绿光 LED 的商品化。该公司利用 GaN 基蓝光 LED 和磷光技术,开发出了白光发光器件产品,具有高寿命、低能耗的特点。此外,还首先研制成功 GaN 基蓝光半导体激光器。 
 
用 GaN 基高效率蓝绿光 LED 制作的超大屏幕全色显示,可用于室内室外各种场合的动态信息显示。高效率白光发光二极管作为新型高效节能固体光源,使用寿命超过 10 万小时,可比白炽灯节电 5~10 倍,达到了节约资源、减少环境污染的双重目的。目前,GaN 基 LED 的应用十分广泛,您每天都可能会见到它的身影,在交通信号灯里、彩色视频广告牌上、小孩的玩具中甚至闪光灯里。GaN 基 LED 的成功引发了光电行业中的革命。GaN 基蓝光半导体激光器主要用于制作下一代 DVD,它能比现在的 CD 光盘提高存储密度 20 倍以上。 
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利用 GaN 材料,还可以制备紫外(UV)光探测器,它在火焰传感、臭氧检测、激光探测器等方面具有广泛的应用。此外,在电子器件方面,利用 GaN 材料,可以制备高频、大功率电子器件,有望在航空航天、高温辐射环境、雷达与通信等方面发挥重要作用。例如在航空航天领域,高性能的军事飞行装备需要能够在高温下工作的传感器、电子控制系统以及功率电子器件等,以提高飞行的可靠性,GaN 基电子器件将起着重要作用,此外由于它在高温工作时无需制冷器而大大简化电子系统,减轻飞行重量。 
 
磷化铟 InP
磷化铟是继硅和砷化镓之后又一重要的Ⅲ一 V 族化合物半导体材料,几乎在与锗、硅等第一代元素半导体材料的发展和研究的同时,科学工作者对化合物半导体材料也开始了大量的探索工作。 
 
磷化铟(InP)作为一种新型半绝缘晶片,它的出现对于改善和提高 InP 基微电子器件的性能具有重要的意义。这种通过高温退火工艺所制备的半绝缘晶片既保持了传统原生掺铁衬底的高阻特性,同时铁浓度大幅降低,电学性质、均匀性和一致性显著提高。目前半绝缘类型 InP 衬底的生产质量亟待改善和提高。 
 
原生半绝缘 InP 是通过在单晶生长过程中掺入铁原子来制备的。为了达到半绝缘化的目的,铁原子的掺杂浓度较高,高浓度的铁很可能会随着外延及器件工艺过程发生扩散。而且由于铁在磷化铟中的分凝系数很小,InP 单晶锭沿生长轴方向表现出明显的掺杂梯度,顶部和底部的铁浓度相差一个数量级以上,由其切割成的单晶片的一致性和均匀性就很难保证。就切割成的单个 InP 晶片而言,由于受生长时的固液界面的影响,铁原子从晶片中心向外呈同心圆状分布,这显然也不能满足一些器件应用的需要。所有这些因素是目前制约半绝缘磷化铟单晶片生产质量的最大障碍。 
 
最近几年国内外的研究表明,通过在一定气氛下高温退火处理低阻非掺杂 InP 晶片所获得的半绝缘衬底可以克服上述问题。在 InP 晶体中,半绝缘的形成机理大致可概括为两个方面:一是通过掺入深受主(元素)补偿浅施主来实现半绝缘态,原生掺铁的半绝缘磷化铟就属于这种情况;另一种是通过新缺陷的形成使浅施主的浓度降低,同时驻留的深受主(元素)也发生补偿,非掺杂半绝缘磷化铟就属于这一类,这种新缺陷可以在高温退火以及辐照等过程中形成。根据这个思路,中科院半导体所的有关科研人员采取了三个步骤来制备非掺杂半绝缘磷化铟衬底:首先用液封直拉法拉制高纯低阻非掺杂磷化铟单晶(表面为低阻),然后将其切割成一定厚度的晶片并封装在石英管内,最后在合适的气氛条件下进行高温退火处理。研究人员分别在纯磷气氛和磷化铁气氛下进行了数十次退火比较实验。经过对比测试和分析发现,在磷化铁气氛下退火制备的半绝缘磷化铟晶片不仅缺陷少,而且具有良好的均匀性。 
 
为了进一步研究这种退火衬底对相邻外延层的实际影响,研究人员使用分子柬外延技术分别在原生掺铁的和磷化铁气氛退火制备的半绝缘磷化铟衬底上生长了相同的 InAlAs 外延层。测试结果表明后者更有利于生长具有良好结晶质量的外延层。此外对这两种衬底分别注入同样剂量的 Si 离子和快速退火后,霍尔测试结果证实,后者可以较大幅度提高注入离子的激活效率。
 
磷化铟晶片常用于制造高频、高速、大功率微波器件和电路以及卫星和外层空间用的太阳能电池等。在当前迅速发展的光纤通信领域,它是首选的衬底材料。另外 InP 基器件在 IC 和开关运用方面也具有优势。这种新型半绝缘磷化铟晶片的研制成功,将在国防和高速通信领域发挥重要作用。中国电子科技集团第十三研究所使用这种新型半绝缘磷化铟纯磷衬底成功制作了工作频率达 100GHz 的高电子迁移率晶体管。
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硅锗 SiGe
1980 年代 IBM 为改进 Si 材料而加入 Ge,以便增加电子流的速度,减少耗能及改进功能,却意外成功的结合了 Si 与 Ge。而自 98 年 IBM 宣布 SiGe 迈入量产化阶段后,近两、三年来,SiGe 已成了最被重视的无线通信 IC 制程技术之一。
 
依材料特性来看,SiGe 高频特性良好,材料安全性佳,导热性好,而且制程成熟、整合度高,具成本较低之优势,换言之,SiGe 不但可以直接利用半导体现有 200mm 晶圆制程,达到高集成度,据以创造经济规模,还有媲美 GaAs 的高速特性。随着近来 IDM 大厂的投入,SiGe 技术已逐步在截止频率(fT)与击穿电压(Breakdown voltage)过低等问题获得改善而日趋实用。
 
目前, 这项由 IBM 所开发出来的制程技术已整合了高效能的 SiGe HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)3.3V 及 0.5μm 的 CMOS 技术,可以利用主动或被动组件,从事模拟、RF 及混合信号方面的配置应用。
 
SiGe 既拥有硅工艺的集成度、良率和成本优势,又具备第 3 到第 5 类半导体(如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP))在速度方面的优点。只要增加金属和介质叠层来降低寄生电容和电感,就可以采用 SiGe 半导体技术集成高质量无源部件。此外,通过控制锗掺杂还可设计器件随温度的行为变化。SiGe BiCMOS 工艺技术几乎与硅半导体超大规模集成电路(VLSI)行业中的所有新技术兼容,包括绝缘体硅(SOI)技术和沟道隔离技术。
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不过硅锗要想取代砷化镓的地位还需要继续在击穿电压、截止频率、功率消耗方面努力。
 
RF CMOS
RF CMOS 工艺可分为两大类:体硅工艺和 SOI(绝缘体上硅)工艺。由于体硅 CMOS 在源和漏至衬底间存在二极管效应,造成种种弊端,多数专家认为采用这种工艺不可能制作高功率高线性度开关。与体硅不同,采用 SOI 工艺制作的 RF 开关,可将多个 FET 串联来对付高电压,就象 GAAS 开关一样。
 
尽管纯硅的 CMOS 制程被认为仅适用于数字功能需求较多的设计,而不适用于以模拟电路为主的射频 IC 设计,不过历经十几年的努力后,随着 CMOS 性能的提升、晶圆代工厂在 0.25mm 以下制程技术的配合、以及无线通信芯片整合趋势的引领下,RF CMOS 制程不仅是学界研究的热门课题,也引起了业界的关注。采用 RF CMOS 制程最大的好处,当然是可以将射频、基频与存储器等组件合而为一的高整合度,并同时降低组件成本。但是症结点仍在于 RF CMOS 是否能解决高噪声、低绝缘度与 Q 值、与降低改善性能所增加制程成本等问题,才能满足无线通信射频电路严格的要求。
 
目前已采用 RF CMOS 制作射频 IC 的产品多以对射频规格要求较为宽松的 Bluetooth 与 WLAN 射频 IC,例如 CSR、Oki、Broadcom 等 Bluetooth 芯片厂商皆已推出使用 CMOS 制造的 Bluetooth 传送器;英特尔公司宣布已开发出能够支持当前所有 Wi-Fi 标准(802.11a、b 和 g)并符合 802.11n 预期要求的全 CMOS 工艺直接转换双频无线收发信机原型,包括了 5GHz 的 PA,并轻松实现了发送器与接收器功能的分离。而 Atheros、Envara 等 WLAN 芯片厂商也在最近推出全 CMOS 制程的多模 WLAN(.11b/g/a)射频芯片组。
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手机用射频 IC 规格非常严格,但是坚冰已经被打破。Silicon Labs 最先以数字技术来强化低中频至基频滤波器及数字频道选择滤波器功能,以降低 CMOS 噪声过高的问题所生产的 Aero 低中频 GSM/GPRS 芯片组,英飞凌立刻跟进,也大量推出 RF CMOS 工艺的产品,而高通在收购 Berkana 后,也大力采用 RF CMOS 工艺,一批新进射频厂家无一例外都采用 RF CMOS 工艺,甚至是最先进的 65 纳米 RF CMOS 工艺。老牌的飞利浦、FREESCALE、意法半导体和瑞萨仍然坚持用传统工艺,主要是 SiGe BiCMOS 工艺,诺基亚仍然大量使用意法半导体的射频收发器。而欧美厂家对新产品一向保守,对 RF CMOS 缺乏信任,但是韩国大厂三星和 LG 还有中国厂家夏新和联想,在成本压力下,大量采用 RF CMOS 工艺的收发器。目前来看,缺点可能是故障率稍高和耗电稍大,并且需要多块芯片,增加设计复杂程度。但仍在可忍受的范围内。
 
其他应用领域还包括汽车的安全雷达系统,包括用于探测盲区的 24GHz 雷达以及用于提供碰撞警告或先进巡航控制的 77GHz 雷达;IBM 在此领域具备领导地位,2005 年推出的第四代 SIGE 线宽有 0.13 微米。
 
Utra COMS
SOI 的一个特殊子集是蓝宝石上硅工艺,在该行业中通常称为 Ultra CMOS。蓝宝石本质上是一种理想的绝缘体,衬底下的寄生电容的插入损耗高、隔离度低。Ultra CMOS 能制作很大的 RF FET,对厚度为 150~225μm 的正常衬底,几乎不存在寄生电容。晶体管采用介质隔离来提高抗闩锁能力和隔离度。为了达到完全的耗尽工作,硅层极薄至 1000A。硅层如此之薄,以致消除了器件的体端,使它成为真正的三端器件。目前,Ultra CMOS 是在标准 6 寸工艺设备上生产的,8 寸生产线亦已试制成功。示范成品率可与其它 CMOS 工艺相媲美。
 
尽管单个开关器件的 BVDSS 相对低些,但将多个 FET 串联堆叠仍能承爱高电压。为了确保电压在器件堆上的合理分压,FET 至衬底间的寄生电容与 FET 的源与漏间寄生电容相比应忽略不计。当器件外围达到毫米级使总电阻较低时,要保证电压的合理分压,真正的绝缘衬底是必不可少的。
 
Peregrine 公司拥有此领域的主要专利,采用 Ultra CMOS 工艺将高 Q 值电感和电容器集成在一起也很容易。线卷 Q 值在微波频率下能达到 50。超快速数字电路也能直接集成到同一个 RF 芯片上。该公司推出 PE4272 和 PE4273 宽带开关例证了 UltraCMOS 的用处(见图)。这两个 75Ω 器件设计用于数字电视、PC TV、卫星直播电视机顶盒和其它一些精心挑选的基础设施开关。采用单极双掷格式,它们是 PIN 二极管开关的很好的替代品,它们可在改善整体性能的同时大大减少了元器件的数量。
 
两个器件 1GHz 时的插入耗损仅为 0.5dB、P1dB 压缩率为 32dBm、绝缘度在 1GHz 时高达 44dB。两种器件在 3V 时静态电流仅为 8μA、ESD 高达 2kV。PE4273 采用 6 脚 SC-70 封装,绝缘值为 35dB。PE4272 采用 8 脚 MSOP 封装,绝缘值为 44dB。10K 订购量时,PE4272 和 PE4273 的价格分别为 0.45 和 0.30 美元。
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和 Peregrine 公司有合作关系的日本冲电气也开发了类似产品,冲电气称之为 SOS 技术,SOS 技术是以“UTSi”为基础开发的技术。“UTSi”技术是由在 2003 年 1 月与冲电气建立合作关系的美国派更半导体公司(Peregrine Semiconductor Corp.)开发的。在蓝宝石底板上形成单晶硅薄膜,然后再利用 CMOS 工艺形成电路。作为采用具有良好绝缘性的蓝宝石的 SOS 底板,与硅底板和 SOI(绝缘体上硅)底板相比,能够降低在底板上形成的电路耗电量。冲电气开发的 RF 开关的耗电电流仅为 15μA(电源电压为 2.5~3V),与使用 GaAs 材料的现有 RF 开关相比,耗电量降到了约 1/5。
 
Si BiCMOS
以硅为基材的集成电路共有 Si BJT(Si-Bipolar Junction Transistor)、Si CMOS、与结合 Bipolar 与 CMOS 特性的 Si BiCMOS(Si Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor)等类。由于硅是当前半导体产业应用最为成熟的材料,因此,不论在产量或价格方面都极具优势。传统上以硅来制作的晶体管多采用 BJT 或 CMOS,不过,由于硅材料没有半绝缘基板,再加上组件本身的增益较低,若要应用在高频段操作的无线通信 IC 制造,则需进一步提升其高频电性,除了要改善材料结构来提高组件的 fT,还必须藉助沟槽隔离等制程以提高电路间的隔离度与 Q 值,如此一来,其制程将会更为复杂,且不良率与成本也将大幅提高。
 
因此,目前多以具有低噪声、电子移动速度快、且集成度高的 Si BiCMOS 制程为主。而主要的应用则以中频模块或低层的射频模块为主,至于对于低噪声放大器、功率放大器与开关器等射频前端组件的制造仍力有未逮。
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