主流射頻半導體材料及特性介紹

主流射頻半導體材料及特性介紹半導體材料是一類具有半導體性能（導電能力介于導體與絕緣體之間，電阻率約在1mΩ·cm～1GΩ·cm范圍內）、可用來制作半導體器件和集成電路的電子材料。按種類可以分為元素半導體和化合物半導體兩大類，元素半導體指硅、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。隨著無線通信的發(fā)展，高頻電路應用越來越廣，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金屬半導體場效應晶體管，后演變?yōu)镠EMT(高速電子遷移率晶體管)，pHEMT(介面應變式高電子遷移電晶體)目前則為HBT(異質接面雙載子晶體管)。異質雙極晶體管(HBT)是無需負電源的砷化鎵組件，其功率密度(powerdensity)、電流推動能力(currentdrivecapability)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，另外它可以單電源操作，因而簡化電路設計及次系統(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。砷化鎵生產方式和傳統(tǒng)的硅晶圓生產方式大不相同，砷化鎵需要采用磊晶技術制造，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臺，同時砷化鎵原材料成本高出硅很多，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半導體材料及器件的發(fā)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(fā)光器件領域取得重大突破的。1991年，日本日亞（Nichia）公司首先研制成功以藍寶石為襯底的GaN藍光發(fā)光二極管（LED），之后實現(xiàn)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(fā)出了白光發(fā)光器件產品，具有高壽命、低能耗的特點。此外，還首先研制成功GaN基藍光半導體激光器。用GaN基高效率藍綠光LED制作的超大屏幕全色顯示，可用于室內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基藍光半導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?、臭氧檢測、激光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、雷達與通信等方面發(fā)揮重要作用。例如在航空航天領域，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族化合物半導體材料，幾乎在與鍺、硅等第一代元素半導體材料的發(fā)展和研究的同時，科學工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(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襯底的生產質量亟待改善和提高。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質量的最大障礙。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(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，中科院半導體所的有關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，最后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(shù)十次退火比較實驗。經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。測試結果表明后者更有利于生長具有良好結晶質量的外延層。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。在當前迅速發(fā)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(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域發(fā)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制作了工作頻率達100GHz的高電子遷移率晶體管。硅鍺SiGe1980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與Ge。而自98年IBM宣布SiGe邁入量產化階段后，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(yōu)勢，換言之，SiGe不但可以直接利用半導體現(xiàn)有200mm晶圓制程，達到高集成度，據(jù)以創(chuàng)造經濟規(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用。目前，這項由IBM所開發(fā)出來的制程技術已整合了高效能的SiGeHBT(HeterojunctionBipolarTransistor)3.3V及0.5μm的CMOS技術，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疊層來降低寄生電容和電感，就可以采用SiGe半導體技術集成高質量無源部件。此外，通過控制鍺摻雜還可設計器件隨溫度的行為變化。SiGeBiCMOS工藝技術幾乎與硅半導體超大規(guī)模集成電路(VLSI)行業(yè)中的所有新技術兼容，包括絕緣體硅(SOI)技術和溝道隔離技術。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。RFCMOSRFCMOS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，造成種種弊端，多數(shù)專家認為采用這種工藝不可能制作高功率高線性度開關。與體硅不同，采用SOI工藝制作的RF開關，可將多個FET串聯(lián)來對付高電壓，就象GAAS開關一樣。盡管純硅的CMOS制程被認為僅適用于數(shù)字功能需求較多的設計，而不適用于以模擬電路為主的射頻IC設計，不過歷經十幾年的努力后，隨著CMOS性能的提升、晶圓代工廠在0.25mm以下制程技術的配合、以及無線通信芯片整合趨勢的引領下，RFCMOS制程不僅是學界研究的熱門課題，也引起了業(yè)界的關注。采用RFCMOS制程最大的好處，當然是可以將射頻、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。但是癥結點仍在于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格的要求。目前已采用RFCMOS制作射頻IC的產品多以對射頻規(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)出能夠支持當前所有Wi-Fi標準（802.11a、b和g）并符合802.11n預期要求的全CMOS工藝直接轉換雙頻無線收發(fā)信機原型，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。手機用射頻IC規(guī)格非常嚴格，但是堅冰已經被打破。SiliconLabs最先以數(shù)字技術來強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的Aero低中頻GSM/GPRS芯片組，英飛凌立刻跟進，也大量推出RFCMOS工藝的產品，而高通在收購Berkana后，也大力采用RFCMOS工藝，一批新進射頻廠家無一例外都采用RFCMOS工藝，甚至是最先進的65納米RFCMOS工藝。老牌的飛利浦、FREESCALE、意法半導體和瑞薩仍然堅持用傳統(tǒng)工藝，主要是SiGeBiCMOS工藝，諾基亞仍然大量使用意法半導體的射頻收發(fā)器。而歐美廠家對新產品一向保守，對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，缺點可能是故障率稍高和耗電稍大，并且需要多塊芯片，增加設計復雜程度。但仍在可忍受的范圍內。其他應用領域還包括汽車的安全雷達系統(tǒng)，包括用于探測盲區(qū)的24GHz雷達以及用于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。UltraCMOSSOI的一個特殊子集是藍寶石上硅工藝，在該行業(yè)中通常稱為UltraCMOS。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。UltraCMOS能制作很大的RFFET，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，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是在標準6寸工藝設備上生產的，8寸生產線亦已試制成功。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忽略不計。當器件外圍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，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寬帶開關例證了UltraCMOS的用處(見圖)。這兩個75Ω器件設計用于數(shù)字電視、PCTV、衛(wèi)星直播電視機頂盒和其它一些精心挑選的基礎設施開關。采用單極雙擲格式，它們是PIN二極管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(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44dB。兩種器件在3V時靜態(tài)電流僅為8μA、ESD高達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公司有合作關系的日本沖電氣也開發(fā)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(fā)的技術。"UTSi"技術是由在2003年1月與沖電氣建立合作關系的美國派更半導體公司（PeregrineSemiconduc