半導體材料競爭無線應用領域

每周發(fā)生一次技術旋風的地方是無線市場。在不到三年的時間里，數(shù)字信號處理器（DSP）在無線電話里已經(jīng)含括了許多功能，調(diào)制技術已經(jīng)從模擬發(fā)展到復雜的數(shù)字，研究的重點已從聲音轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)。設計師們則集中精力整理那些可以驅(qū)動他們的產(chǎn)品進入市場的技術，通向成功的道路總是要放棄許多錯誤的假設。幸運的是，半導體技術的發(fā)展，盡管步伐很快，仍然給設計師們留下時間來挑選最適合某一特定應用的器件。

毫無疑問，相互競爭的工藝和器件類型現(xiàn)在比以前增加了很多。曾經(jīng)有一段時間只有Si基晶體管，現(xiàn)在則有Si基、砷化鎵(GaAs)基、硅鍺(SiGe)基、碳化硅(SiC)基，也許很快就會有磷化銦(InP)基晶體管；器件類型包括雙極型、場效應管(FETs）、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBTs)和高電子遷移率晶體管(HEMTs)等。在未來幾年里，為在無線手機市場和基礎設施建設方面占有一席之地，所有這些器件會形成一個緊張激烈的競爭場面。實際上，現(xiàn)有的設計環(huán)境只支持有限的幾種器件和工藝，而每一種因其具有的優(yōu)缺點劃定了應用范圍。

例如Si橫向擴散金屬氧化物半導體在基站功率放大器（PA）占絕對統(tǒng)治地位，幾乎被放大器制造商普遍接受。其工藝的穩(wěn)定性已被多年來大量的產(chǎn)品所證明，盡管已接近實際極限，但仍將在頻率和性能方面居于領先。手機功率放大器將繼續(xù)是GaAs HBTs的天下，它具有第三代(3G)手機所需的三級截接性能。GaAs HEMT在現(xiàn)有器件中具備可靠的最好噪聲性能，加上它的擴展頻率范圍，擊退了在噪聲關鍵應用領域其它器件的挑戰(zhàn)。

在這些表面上看起來堅不可摧的堡壘之外，潛藏著像SiGe和SiC這樣相對較新的技術，他們已經(jīng)影響到目前的設計。其中，SiGe發(fā)展最好，最有可能在某些應用領域取代傳統(tǒng)器件。事實上，盡管商用SiGe器件出現(xiàn)才只有幾年時間，由于它與現(xiàn)有的MOS(CMOS）工藝設備良好的相容性，其工藝已經(jīng)用到許多主流應用領域。

SiGe是IBM公司于1982年首先開發(fā)的。這項技術最初被IBM看作是用于巨型計算機的Si雙極晶體管的繼承者。然而巨型計算機市場的劇變、日益增大的成本壓力，加上CMOS工藝的發(fā)展，一度將SiGe暫時擱置不用。?/P>

然而SiGe技術的巨大潛力促使IBM繼續(xù)投資研究。人們早就知道，通過修改禁帶寬度就能使一個雙極半導體達到更高的性能。要做到這一點，必須在Si襯底上外延生長一層摻Ge的Si，從而有效減小禁帶寬度。這項技術推動了像GaAs這樣的三-五族化合物在高頻應用領域的突起。然而與Si相比較，GaAs是一種稀有、昂貴的化合物，而硅是大量存在的廉價品。

嚴格來講，Si和Ge的晶格結(jié)構(gòu)有些不同。如果Ge在Si 上生長，會產(chǎn)生應變。這個應變可以用來修改材料的禁帶和其它特性，有效地產(chǎn)生具有更高電子遷移率的新材料。工藝的進步需要多年才能達到，得到的器件卻比GaAs性能更好，fmax 大于70GHz，另有良好的噪聲性能，功率增加效率（PAE）高達70%，更重要的是，從實際的角度來看，SiGe器件可用現(xiàn)有性能良好、成品率高的CMOS技術來制造(圖1)。

這不僅使HBT器件具有GaAs這樣的化合物半導體的 特性，又具有Si器件的工藝優(yōu)勢。也就是說，SiGe比單純的Si有更高的fmax(約65GHz），較小的功耗，與CMOS工藝兼容，所以SiGe器件可以與CMOS和雙極器件一起制作在硅片上。這種器件可以在單個集成電路上集成更多的元件，并獲得相應的高效率，低噪聲。它也給低于2.4GHz的無線電路設計師們提供了更多的自由度，因為這種工藝的高速能力可以折衷選擇其它方面如低功耗、好的線性度、較低的噪聲或更大的動態(tài)范圍(圖2)等，以獲得更佳的性能。

SiGe的工藝優(yōu)勢在于不斷有以其為基礎的產(chǎn)品快速進入市場,最近的兩個產(chǎn)品是Stanford Microdevices公司的SGA-0163和SGA-0363HBT單片微波集成電路(MMIC)放大器。適于小電流是關鍵參數(shù)的場合如無線基礎設施和固定無線應用。它們的工作頻率可高達5GHz，在2GHz的小信號增益分別為12和17dB。兩個器件的工作電壓在8mA條件下低至2.1VDC。

英國SiGe Microsystem公司也在銷售產(chǎn)品，包括用于藍牙技術的PA2423MB 2.4GHz PA RF IC。這些器件具備+22.7dBm的輸出，45%的PAE，95mA 的電流（在+20dBm的輸出時），需要一個3.3V直流電源。

Maxim公司的低噪聲放大器 MAX2645 為3.4～3.8GHz 的無線本地環(huán)、無線寬帶和數(shù)字微波無線應用設計，典型增益為14.4dB, +4dBm輸入三階截取點(IP3)，2.3dB 的噪聲水平，在9.2mA電流時工作在3.0～5.5VDC。該器件有一個增益階躍特性，即將低噪聲放大器的增益減少24dB, 同時將輸入IP3增加到+13dBm，在大輸入信號條件下有效改善接收器前端性能，并將電流降到3mA。 IP3可以通過外接偏置電阻進行調(diào)節(jié)。

Intersil公司的SiGe ISL3685 2.4GHz RF/IF變換器和合成器包括一個低噪聲的可選擇增益放大器，然后是接收鏈中的一個下變頻器混頻器，一個上變頻器混頻器和發(fā)射鏈中的一個前置放大器。ISL3984 PA 和檢測器包括兩級，合起來產(chǎn)生+18dBm的輸出。檢測器在15dB±1dB的動態(tài)范圍內(nèi)是準確的。這兩個產(chǎn)品都工作在2.7～3.6VDC的單電源。

Atmel的SiGe代加工線生產(chǎn)能力已升級到最大頻率達82GHz，該公司在生產(chǎn)了數(shù)百萬SiGe產(chǎn)品以后，決定提高產(chǎn)品的頻率上限。

IBM公司開創(chuàng)了SiGe研究的先河，現(xiàn)在也提供SiGe產(chǎn)品。這家公司研發(fā)了第一個具有SiGe前端的全球定位系統(tǒng)(GPS）Rx芯片組。12 通道的Rx大小為40×66mm，但包括存儲器，一個GPS晶體，連接器、實時時鐘 以及PowerPC 401 嵌入式處理器以提高吞吐力和進行應用開發(fā)。直接轉(zhuǎn)換Rx芯片組能將RF信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，而無需混頻器、振蕩器和濾波器。這家公司還生產(chǎn)IBM43RF0100，一種SiGe NPN型晶體管，在2GHz 噪聲為1.1dB，工作電壓1～2.7VDC，10GHz的輸入IP3 能力為+10dBm。IBM與所有利用SiGe的制造商都有聯(lián)系，并用它們自己的SiGe工藝設備提供加工服務。

當SiGe大步走向無線應用時，微波工業(yè)已經(jīng)有近15年使用GaAs器件搭建系統(tǒng)的經(jīng)驗，而且GaAs器件的數(shù)量和種類超過SiGe。GaAs的支持者強調(diào)，如果考慮整個系統(tǒng)搭建的平臺，GaAs具有不可比擬的優(yōu)勢，包括在芯片上集成無源元件，良好的工藝和很高的成品率。GaAs與其替代品之間的真正比較不但要包括器件成本，還必須包括將器件用到系統(tǒng)中的所有費用。考慮到這些，GaAs具有明顯的競爭優(yōu)勢。

在Agilent公司GaAs仍然是主力（至少在功率應用方面），SiGe正在被評估。無線半導體分部研發(fā)部經(jīng)理David Wu說?！拔覀冇X得SiGe技術非常成熟，正在尋找最適合的應用領域。比如正在用SiGe實現(xiàn)上變頻和下變頻這樣的功能，我們的一種芯片組，其下一代將用SiGe。”

Si雙極器件的堡壘Motorola公司在這方面作出了很大貢獻，現(xiàn)在兩種類型的器件它都制造，覆蓋所有可能的應用，從小功率無線話機到大功率雷達發(fā)射/接收(T/R）模塊、醫(yī)療系統(tǒng)、大功率高頻（HF)、甚高頻(VHF)、超高頻（UHF)發(fā)射機。局部多點分布系統(tǒng)(LMDS-local multipoint distribution system)FET可能會被廣泛應用于無線基站，這歸因于它的堅固性和良好的電學特性。

Agilent在功率市場還是新手， 它在GaAs增強型假形（psuedomophic)HEMT(E-PHEMT)工藝投了巨資。這項技術是為無線手機的低功耗放大器設計的，與GaAs MESFET 和HEMT 不同的是，它不需要負電源。公司相信采用這種技術的PA模塊其電池壽命可增加15%，由于取消了負電源從而降低制造成本、減小印制板面積。Agilent公司最近宣布了一項計劃，打算建造一座15000平方英尺的潔凈度從100級到1級的廠房，每年專門生產(chǎn)48000個 6英寸圓片以支持GSM和CDMA PA 業(yè)務。

18GHz 以上的毫米波范圍長期以來一直被看作商業(yè)應用的下一個大領域，盡管截止到目前，究竟是什么應用還無定論。然而隨著互聯(lián)網(wǎng)和個人無線通信的快速普及，即使最保守的專家都會準確地預測到這個幾乎尚未應用的波段的真正市場。

個人通信服務(PCS)無線系統(tǒng)目前使用頻率高達38GHz的毫米波無線電以實現(xiàn)從基站的回程鏈路，為設備制造商提供了巨大的收入。此外，第一個自適應巡航控制系統(tǒng)(曾經(jīng)叫做免撞雷達)在豪華汽車上也找到了用場。這些工作在77GHz的系統(tǒng)已經(jīng)在這個領域測試了許多年，但直到最近才與信號處理和計算功能集成到一起以滿足瞬時作出決斷的需要。

此外，局部多點分布系統(tǒng)（LMDS)概念表明與有線解決方案進行競爭，以提供高速互連網(wǎng)接入和其它可能的應用，有線解決方案包括線纜調(diào)制解調(diào)器和非對稱數(shù)字用戶線（ADSL）。工作在27～30GHz的LMDS將需要大量廉價的低功耗微波收發(fā)器。期望在55～60GHz工作的無線以太網(wǎng)，最終也會變?yōu)楝F(xiàn)實。

長期以來人們一直相信能夠工作在100GHz毫米波段的一個化合物半導體材料是InP。在此頻段，InP HEMT 是僅有的潛在可行解決方案，它還能提供大規(guī)模集成電路。InP 目前以HEMT的形式用在軍事系統(tǒng)里。研究工作仍在眾多公司和大學緊張進行，包括HRL 實驗室、朗訊科技、TRW、北方電訊(Nortel）、日立、NEC和NTT等。它們在研究如何將目前僅用在軍事系統(tǒng)的技術成本降低，從而轉(zhuǎn)向商用高速數(shù)據(jù)和信號處理等領域。

不過，這個轉(zhuǎn)變的進程受到高成本的7.5厘米圓片以及材料生長和處理過程中高缺陷密度限制。在許多應用領域里對極高速處理能力的幾乎肯定的需求，將使InP 的研究在10年內(nèi)能夠生產(chǎn)商用產(chǎn)品?！?/font>