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微波高頻,射頻電路用什麼材料和工藝? 瞭解下
2022-07-20
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半導體材料是一類具有半導體性能(導電能力介於導體與絕緣體之間,電阻率約在1mΩ·cm1GΩ·cm範圍內)、可用來製作半導體器件和積體電路的電子材料。按種類可以分為元素半導體和化合物半導體兩大類,元素半導體指矽、鍺單一元素形成的半導體,化合物指砷化鎵、磷化銦等化合物形成的半導體。隨著無線通訊的發展,高頻電路應用越來越廣,今天我們來介紹適合用於射頻、微波等高頻電路的半導體材料及工藝情況。

砷化鎵GaAs

砷化鎵的電子遷移速率比矽高5.7 倍,非常適合用於高頻電路。砷化鎵元件在高頻、高功率、高效率、低雜訊指數的電氣特性均遠超過矽元件,空乏型砷化鎵場效電晶體(MESFET)或高電子遷移率電晶體(HEMT/PHEMT),在3 V 電壓操作下可以有80 %的功率增加效率(PAE: power addedefficiency),非常的適用於高層(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矽高很多,因此採用特殊的工藝,早期為MESFET 金屬半導體場效應電晶體,後演變為HEMT ( 高速電子遷移率電晶體)pHEMT( 介面應變式高電子遷移電晶體)目前則為HBT ( 異質接面雙載子電晶體)。異質雙極電晶體(HBT)是無需負電源的砷化鎵元件,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 元件在相位雜訊,高gm、高功率密度、崩潰電壓與線性度上佔優勢,另外它可以單電源操作,因而簡化電路設計及次系統實現的難度,十分適合於射頻及中頻收發模組的研製,特別是微波信號源與高線性放大器等電路。

 

                                                           

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砷化鎵生產方式和傳統的矽晶圓生產方式大不相同,砷化鎵需要採用磊晶技術製造,這種磊晶圓的直徑通常為4-6 英寸,比矽晶圓的12 英寸要小得多。磊晶圓需要特殊的機台,同時砷化鎵原材料成本高出矽很多,最終導致砷化鎵成品IC 成本比較高。磊晶目前有兩種,一種是化學的MOCVD,一種是物理的MBE

氮化鎵GaN

 

在寬禁帶半導體材料中,氮化鎵(GaN)由於受到缺乏合適的單晶襯底材料、位元錯密度大等問題的困擾,發展較為緩慢,但進入90年代後,隨著材料生長和器件工藝水準的不斷發展,GaN半導體材料及器件的發展十分迅速,目前已經成為寬禁帶半導體材料中耀眼的新星。

GaN半導體材料的應用首先是在發光器件領域取得重大突破的。1991年,日本日亞(Nichia)公司首先研製成功以藍寶石為襯底的GaN藍光發光二極體(LED),之後實現GaN基藍、綠光LED的商品化。該公司利用GaN基藍光LED和磷光技術,開發出了白光發光器件產品,具有高壽命、低能耗的特點。此外,還首先研製成功GaN基藍光半導體雷射器。

 

GaN基高效率藍綠光LED製作的超大螢幕全色顯示,可用於室內室外各種場合的動態資訊顯示。高效率白光發光二極體作為新型高效節能固體光源,使用壽命超過10萬小時,可比白熾燈節電510倍,達到了節約資源、減少環境污染的雙重目的。目前,GaNLED的應用十分廣泛,您每天都可能會見到它的身影,在交通信號燈裡、彩色視頻看板上、小孩的玩具中甚至閃光燈裡。GaN LED的成功引發了光電行業中的革命。GaN基藍光半導體雷射器主要用於製作下一代DVD,它能比現在的CD光碟提高存儲密度20倍以上。

 

                                       

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利用GaN材料,還可以製備紫外(UV)光探測器,它在火焰傳感、臭氧檢測、鐳射探測器等方面具有廣泛的應用。此外,在電子器件方面,利用GaN材料,可以製備高頻、大功率電子器件,有望在航空航太、高溫輻射環境、雷達與通信等方面發揮重要作用。例如在航空航太領域,高性能的軍事飛行裝備需要能夠在高溫下工作的感測器、電子控制系統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,此外由於它在高溫工作時無需製冷器而大大簡化電子系統,減輕飛行重量。

 

磷化銦InP

磷化銦是繼矽和砷化鎵之後又一重要的V族化合物半導體材料,幾乎在與鍺、矽等第一代元素半導體材料的發展和研究的同時,科學工作者對化合物半導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,它的出現對於改善和提高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製備的半絕緣晶片既保持了傳統原生摻鐵襯底的高阻特性,同時鐵濃度大幅降低,電學性質、均勻性和一致性顯著提高。目前半絕緣類型InP襯底的生產品質亟待改善和提高。

 

原生半絕緣InP是通過在單晶生長過程中摻入鐵原子來製備的。為了達到半絕緣化的目的,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生擴散。而且由於鐵在磷化銦中的分凝係數很小,InP單晶錠沿生長軸方向表現出明顯的摻雜梯度,頂部和底部的鐵濃度相差一個數量級以上,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,由於受生長時的固液介面的影響,鐵原子從晶片中心向外呈同心圓狀分佈,這顯然也不能滿足一些器件應用的需要。所有這些因素是目前制約半絕緣磷化銦單晶片生產品質的最大障礙。

 

最近幾年國內外的研究表明,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,半絕緣的形成機理大致可概括為兩個方面:一是通過摻入深受主(元素)補償淺施主來實現半絕緣態,原生摻鐵的半絕緣磷化銦就屬於這種情況;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)也發生補償,非摻雜半絕緣磷化銦就屬於這一類,這種新缺陷可以在高溫退火以及輻照等過程中形成。根據這個思路,中科院半導體所的有關科研人員採取了三個步驟來製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),然後將其切割成一定厚度的晶片並封裝在石英管內,最後在合適的氣氛條件下進行高溫退火處理。研究人員分別在純磷氣氛和磷化鐵氣氛下進行了數十次退火比較實驗。經過對比測試和分析發現,在磷化鐵氣氛下退火製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。

 

為了進一步研究這種退火襯底對相鄰外延層的實際影響,研究人員使用分子柬外延技術分別在原生摻鐵的和磷化鐵氣氛退火製備的半絕緣磷化銦襯底上生長了相同的InAlAs外延層。測試結果表明後者更有利於生長具有良好結晶品質的外延層。此外對這兩種襯底分別注入同樣劑量的Si 離子和快速退火後,霍爾測試結果證實,後者可以較大幅度提高注入離子的啟動效率。

 

                                    

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磷化銦晶片常用於製造高頻、高速、大功率微波器件和電路以及衛星和外太空用的太陽能電池等。在當前迅速發展的光纖通信領域,它是首選的襯底材料。另外InP基器件在IC和開關運用方面也具有優勢。這種新型半絕緣磷化銦晶片的研製成功,將在國防和高速通信領域發揮重要作用。中國電子科技集團第十三研究所使用這種新型半絕緣磷化銦純磷襯底成功製作了工作頻率達100GHz的高電子遷移率電晶體。

 

矽鍺SiGe

 

1980 年代IBM 為改進Si 材料而加入Ge,以便增加電子流的速度,減少耗能及改進功能,卻意外成功的結合了Si Ge。而自98 IBM 宣佈SiGe 邁入量產化階段後,近兩、三年來,SiGe 已成了最被重視的無線通訊IC 制程技術之一。

 

依材料特性來看,SiGe 高頻特性良好,材料安全性佳,導熱性好,而且制程成熟、整合度高,具成本較低之優勢,換言之,SiGe 不但可以直接利用半導體現有200mm 晶圓制程,達到高集成度,據以創造經濟規模,還有媲美GaAs 的高速特性。隨著近來IDM 大廠的投入,SiGe 技術已逐步在截止頻率(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 所開發出來的制程技術已整合了高效能的SiGe HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)3.3V 0.5μm CMOS 技術,可以利用主動或被動元件,從事類比、RF 及混合信號方面的配置應用。

 

SiGe 既擁有矽工藝的集成度、良率和成本優勢,又具備第3 到第5 類半導體(如砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP))在速度方面的優點。只要增加金屬和介質疊層來降低寄生電容和電感,就可以採用SiGe 半導體技術集成高品質無源部件。此外,通過控制鍺摻雜還可設計器件隨溫度的行為變化。SiGe BiCMOS 工藝技術幾乎與矽半導體超大型積體電路(VLSI)行業中的所有新技術相容,包括絕緣體矽(SOI)技術和溝道隔離技術。

 

                                         

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

RF CMOS

RF CMOS 工藝可分為兩大類:體矽工藝和SOI(絕緣體上矽)工藝。由於體矽CMOS 在源和漏至襯底間存在二極體效應,造成種種弊端,多數專家認為採用這種工藝不可能製作高功率高線性度開關。與體矽不同,採用SOI 工藝製作的RF 開關,可將多個FET 串聯來對付高電壓,就象GAAS 開關一樣。

 

儘管純矽的CMOS 制程被認為僅適用於數位功能需求較多的設計,而不適用於以類比電路為主的射頻IC 設計,不過歷經十幾年的努力後,隨著CMOS 性能的提升、晶圓代工廠在0.25mm 以下制程技術的配合、以及無線通訊晶片整合趨勢的引領下,RF CMOS 制程不僅是學界研究的熱門課題,也引起了業界的關注。採用RF CMOS 制程最大的好處,當然是可以將射頻、基頻與記憶體等元件合而為一的高整合度,並同時降低元件成本。但是癥結點仍在於RF CMOS 是否能解決高雜訊、低絕緣度與Q 值、與降低改善性能所增加制程成本等問題,才能滿足無線通訊射頻電路嚴格的要求。

 

目前已採用RF CMOS 製作射頻IC 的產品多以對射頻規格要求較為寬鬆的Bluetooth WLAN 射頻IC,例如CSROkiBroadcom Bluetooth 晶片廠商皆已推出使用CMOS 製造的Bluetooth 傳送器;英特爾公司宣佈已開發出能夠支持當前所有Wi-Fi 標準(802.11abg)並符合802.11n 預期要求的全CMOS 工藝直接轉換雙頻無線收發信機原型,包括了5GHz PA,並輕鬆實現了發送器與接收器功能的分離。而AtherosEnvara WLAN 晶片廠商也在最近推出全CMOS 制程的多模WLAN(.11b/g/a)射頻晶片組。

 

                                  

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手機用射頻IC 規格非常嚴格,但是堅冰已經被打破。Silicon Labs 最先以數位技術來強化低中頻至基頻濾波器及數位頻道選擇濾波器功能,以降低CMOS 雜訊過高的問題所生產的Aero 低中頻 GSM/GPRS 晶片組,英飛淩立刻跟進,也大量推出RF CMOS 工藝的產品,而高通在收購Berkana 後,也大力採用RF CMOS 工藝,一批新進射頻廠家無一例外都採用RF CMOS 工藝,甚至是最先進的65 納米RF CMOS 工藝。老牌的飛利浦、FREESCALE、意法半導體和瑞薩仍然堅持用傳統工藝,主要是SiGe BiCMOS 工藝,諾基亞仍然大量使用意法半導體的射頻收發器。而歐美廠家對新產品一向保守,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想,在成本壓力下,大量採用RF CMOS 工藝的收發器。目前來看,缺點可能是故障率稍高和耗電稍大,並且需要多塊晶片,增加設計複雜程度。但仍在可忍受的範圍內。

其他應用領域還包括汽車的安全雷達系統,包括用於探測盲區的24GHz 雷達以及用於提供碰撞警告或先進巡航控制的77GHz 雷達;IBM 在此領域具備領導地位,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寶石上矽工藝,在該行業中通常稱為Ultra CMOS。藍寶石本質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 能製作很大的RF FET,對厚度為150~225μm 的正常襯底,幾乎不存在寄生電容。電晶體採用介質隔離來提高抗閂鎖能力和隔離度。為了達到完全的耗盡工作,矽層極薄至1000A。矽層如此之薄,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 是在標準6 寸工藝設備上生產的,8 寸生產線亦已試製成功。示範成品率可與其它CMOS 工藝相媲美。

儘管單個開關器件的BVDSS 相對低些,但將多個FET 串聯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,FET 至襯底間的寄生電容與FET 的源與漏間寄生電容相比應忽略不計。當器件週邊達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 公司擁有此領域的主要專利,採用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到50。超快速數位電路也能直接集成到同一個RF 晶片上。該公司推出PE4272 PE4273 寬頻開關例證了UltraCMOS 的用處(見圖)。這兩個75Ω 器件設計用於數位電視、PC TV、衛星直播電視機上盒和其它一些精心挑選的基礎設施開關。採用單極雙擲格式,它們是PIN 二極體開關的很好的替代品,它們可在改善整體性能的同時大大減少了元器件的數量。

兩個器件1GHz 時的插入耗損僅為0.5dBP1dB 壓縮率為32dBm、絕緣度在1GHz 時高達44dB。兩種器件在3V 時靜態電流僅為8μAESD 高達2kVPE4273 採用6 SC-70 封裝,絕緣值為35dBPE4272 採用8 MSOP 封裝,絕緣值為44dB10K 訂購量時,PE4272 PE4273 的價格分別為0.45 0.30 美元。

                                                                                   

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Peregrine 公司有合作關係的日本沖電氣也開發了類似產品,沖電氣稱之為SOS 技術,SOS技術是以“UTSi”為基礎開發的技術。“UTSi”技術是由在2003 1 月與沖電氣建立合作關係的美國派更半導體公司(Peregrine Semiconductor Corp.)開發的。在藍寶石底板上形成單晶矽薄膜,然後再利用CMOS 工藝形成電路。作為採用具有良好絕緣性的藍寶石的SOS 底板,與矽底板和SOI(絕緣體上矽)底板相比,能夠降低在底板上形成的電路耗電量。沖電氣開發的RF 開關的耗電電流僅為15μA(電源電壓為2.53V),與使用GaAs 材料的現有RF 開關相比,耗電量降到了約1/5

 

Si BiCMOS

以矽為基材的積體電路共有Si BJT(Si-Bipolar Junction Transistor)Si CMOS、與結合BipolarCMOS 特性的Si BiCMOS(Si Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor)等類。由於矽是當前半導體產業應用最為成熟的材料,因此,不論在產量或價格方面都極具優勢。傳統上以矽來製作的電晶體多採用BJT CMOS,不過,由於矽材料沒有半絕緣基板,再加上組件本身的增益較低,若要應用在高頻段操作的無線通訊IC 製造,則需進一步提升其高頻電性,除了要改善材料結構來提高元件的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,其制程將會更為複雜,且不良率與成本也將大幅提高。

 

因此,目前多以具有低雜訊、電子移動速度快、且集成度高的Si BiCMOS 制程為主。而主要的應用則以中頻模組或低層的射頻模組為主,至於對於低雜訊放大器、功率放大器與開關器等射頻前端元件的製造仍力有未逮