硅鍺(SiGe)技術已經從一種富有潛力的技術發展成為目前和新一代移動設備的先進解決方案,廣泛應用于手機、無線局域網(WLAN)和藍牙等產品。在無線通信應用中,這種技術用于下變頻器、低噪聲放大器、前置放大器和 WLAN 功率放大器。而今,SiGe 技術已經應用于CDMA和GSM手機中的高功率放大器產品。由于這種半導體可以集成更多電路,它將在未來功率放大器與無線射頻 (RF) 電路的集成方面發揮重要作用。

SiGe技術的優勢

降低手機設計成本的兩大主要因素是提高集成度,以及使用如SiGe等易于集成的低成本技術。SiGe既擁有硅工藝的集成度、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。SiGe BiCMOS 工藝技術幾乎與硅半導體超大規模集成電路(VLSI)行業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。

實驗證明,SiGe 器件的工作頻率可高達 350 GHz,而普通硅芯片的工作頻率只能達到幾個 GHz,而且其電流速度為普通硅半導體的2到4倍。此外,SiGe器件還在噪聲、功效、散熱性能方面優于第3至第5類雙極晶體管。事實上,硅基片的熱導率是GaAs的3倍。

表1:由 SiGe BiCMOS、RF CMOS 和InGaP/GaAs
實現的手機前端系統的比較。

SiGe 的種種優勢使其能在 WLAN、有線電視電話和光通信應用中實現低成本、高性能產品。隨著擊穿電壓和高性能無源部件集成領域的技術發展,SiGe 正逐漸占據傳統的 GaAs 領地,即手機功率放大器應用的領域。

擊穿電壓

手機功率放大器必須能在高壓下應對10:1的電壓駐波比(VSWR),并能發送 +28dBm(用于CDMA手機)到 +35dBm(用于GSM手機)的信號。由于 GaAs 半導體具有較高的擊穿電壓,因此傳統的功率放大器一直采用 GaAs 技術。然而 GaAs 這一優勢很有限,因為這種半導體的成本高,又難以與其它無線電路相集成。這種缺陷在需要多個功率放大器的多模手機上尤其明顯；而且由于還沒有低成本的硅半導體工藝可以實現這類集成,手機的用材將會增加。

為了制造出滿足嚴格的手機技術要求的 SiGe 功率放大器,加拿大 SiGe 半導體公司采用fT為 30GHz 的主流 SiGe 工藝,與 InGaP使用的主流工藝相類似。選擇這種工藝,主要著眼于手機應用環境下功率放大器的擊穿電壓、線性性能、效率以及集成方面的優勢。

為了確保高功率下的可靠性, SiGe 技術的 + 擊穿電壓必須獲得改善。SiGe 半導體公司的設計人員開發出專有的電路、工藝技術和晶體管。利用這些開發成果就可以生產出高功率的功率放大器,其擊穿電壓能夠在整個工作循環中,以及在滿功率和 +5V(當用于CDMA手機)或 +(當用于GSM手機)電源電壓下,可靠地應對10:1電壓駐波比。(圖2)

低擊穿電壓和隨之引起的可靠性問題是 RF CMOS無法實現體積小、占位少、成本低和功效高射頻功率放大器的原因所在(參見表 1)。例如,為了提高工作效率,RF CMOS 芯片必須大幅度提高電流強度,因此需要更大的晶體管,這意味著芯片的尺寸會變大。此外,晶體管增大后會使器件的功效降低。這些權衡因素使 RF CMOS 技術在手機的高效功率放大器領域上很不稱職。

手機應用

由于技術的進步,SiGe現已具有較高的擊穿電壓,足以達到GSM-EDGE/CDMA以及最新 WLAN(包括標準的WLAN)應用所要求的功率放大器效率和線性度指標。

因此,在設計電池供電設備時,設計人員可以充分利用 SiGe 技術在成本、集成度、噪聲和高頻特性方面的優勢。而且,在數字電路需要與模擬電路接口時,可采用 SiGe BiCMOS 技術,因為其電壓余量和噪聲性能均符合要求(RF CMOS中的電壓會逐漸遞減,這將會減弱數字電路與具有高動態電壓范圍的模擬輸入的接口能力)。

與用于手機功率放大器的第3到第5類半導體相比,SiGe 的主要優勢體現在成本上。SiGe 的主流工藝采用200毫米(8英寸)晶圓,并正在向 300 毫米晶圓目標發展；但 GaAs 卻是使用 4 到 6 英寸晶圓制造的,由于晶圓尺寸較小,在良率和工藝成本方面不利。

采用 SiGe 的另一個主要優勢是高集成度,通過使用SiGe,設計人員可在功率放大器周圍集成更多的控制電路。這樣,最終的器件就比第3到第 5類半導體器件更加節省板卡空間,因為后者需要功率放大器芯片再加一塊 CMOS 控制芯片,而SiGe卻能將這兩項功能集成到一塊芯片中,并具有集成更多無線功能的潛力。

在不久將來,設計人員很可能需要將 RF 電路集成到 CMOS 電路或功率放大器芯片中。采用 SiGe技術,設計人員就可以將功率放大器和 RF 電路集成在一起,卻不會影響功率放大器的效率,因而不會縮短手機電池的壽命。這一點很重要,因為集成 RF 電路應該比將所有無線電路(包括功率放大器部分)都集成到 CMOS 電路中尺寸更小,而成本效益更高。

作者: Jerry Loraine

首席技術官兼業務拓展副總裁

Steve Kovacic

研發及IP管理部總監

SiGe半導體公司