半导体材料竞争无线应用领域

每周发生一次技术旋风的地方是无线市场。在不到三年的时间里，数字信号处理器（DSP）在无线电话里已经含括了许多功能，调制技术已经从模拟发展到复杂的数字，研究的重点已从声音转到数据。设计师们则集中精力整理那些可以驱动他们的产品进入市场的技术，通向成功的道路总是要放弃许多错误的假设。幸运的是，半导体技术的发展，尽管步伐很快，仍然给设计师们留下时间来挑选最适合某一特定应用的器件。

毫无疑问，相互竞争的工艺和器件类型现在比以前增加了很多。曾经有一段时间只有Si基晶体管，现在则有Si基、砷化镓(GaAs)基、硅锗(SiGe)基、碳化硅(SiC)基，也许很快就会有磷化铟(InP)基晶体管；器件类型包括双极型、场效应管(FETs）、异质结双极晶体管(HBTs)和高电子迁移率晶体管(HEMTs)等。在未来几年里，为在无线手机市场和基础设施建设方面占有一席之地，所有这些器件会形成一个紧张激烈的竞争场面。实际上，现有的设计环境只支持有限的几种器件和工艺，而每一种因其具有的优缺点划定了应用范围。

例如Si横向扩散金属氧化物半导体在基站功率放大器（PA）占绝对统治地位，几乎被放大器制造商普遍接受。其工艺的稳定性已被多年来大量的产品所证明，尽管已接近实际极限，但仍将在频率和性能方面居于领先。手机功率放大器将继续是GaAs HBTs的天下，它具有第三代(3G)手机所需的三级截接性能。GaAs HEMT在现有器件中具备可靠的最好噪声性能，加上它的扩展频率范围，击退了在噪声关键应用领域其它器件的挑战。

在这些表面上看起来坚不可摧的堡垒之外，潜藏着像SiGe和SiC这样相对较新的技术，他们已经影响到目前的设计。其中，SiGe发展最好，最有可能在某些应用领域取代传统器件。事实上，尽管商用SiGe器件出现才只有几年时间，由于它与现有的MOS(CMOS）工艺设备良好的相容性，其工艺已经用到许多主流应用领域。

SiGe是IBM公司于1982年首先开发的。这项技术最初被IBM看作是用于巨型计算机的Si双极晶体管的继承者。然而巨型计算机市场的剧变、日益增大的成本压力，加上CMOS工艺的发展，一度将SiGe暂时搁置不用。?/P>

然而SiGe技术的巨大潜力促使IBM继续投资研究。人们早就知道，通过修改禁带宽度就能使一个双极半导体达到更高的性能。要做到这一点，必须在Si衬底上外延生长一层掺Ge的Si，从而有效减小禁带宽度。这项技术推动了像GaAs这样的三-五族化合物在高频应用领域的突起。然而与Si相比较，GaAs是一种稀有、昂贵的化合物，而硅是大量存在的廉价品。

严格来讲，Si和Ge的晶格结构有些不同。如果Ge在Si上生长，会产生应变。这个应变可以用来修改材料的禁带和其它特性，有效地产生具有更高电子迁移率的新材料。工艺的进步需要多年才能达到，得到的器件却比GaAs性能更好，fmax大于70GHz，另有良好的噪声性能，功率增加效率（PAE）高达70%，更重要的是，从实际的角度来看，SiGe器件可用现有性能良好、成品率高的CMOS技术来制造(图1)。

这不仅使HBT器件具有GaAs这样的化合物半导体的 特性，又具有Si器件的工艺优势。也就是说，SiGe比单纯的Si有更高的fmax(约65GHz），较小的功耗，与CMOS工艺兼容，所以SiGe器件可以与CMOS和双极器件一起制作在硅片上。这种器件可以在单个集成电路上集成更多的元件，并获得相应的高效率，低噪声。它也给低于2.4GHz的无线电路设计师们提供了更多的自由度，因为这种工艺的高速能力可以折衷选择其它方面如低功耗、好的线性度、较低的噪声或更大的动态范围(图2)等，以获得更佳的性能。

SiGe的工艺优势在于不断有以其为基础的产品快速进入市场,最近的两个产品是Stanford Microdevices公司的SGA-0163和SGA-0363HBT单片微波集成电路(MMIC)放大器。适于小电流是关键参数的场合如无线基础设施和固定无线应用。它们的工作频率可高达5GHz，在2GHz的小信号增益分别为12和17dB。两个器件的工作电压在8mA条件下低至2.1VDC。

英国SiGe Microsystem公司也在销售产品，包括用于蓝牙技术的PA2423MB 2.4GHz PA RF IC。这些器件具备+22.7dBm的输出，45%的PAE，95mA的电流（在+20dBm的输出时），需要一个3.3V直流电源。

Maxim公司的低噪声放大器MAX2645为3.4～3.8GHz的无线本地环、无线宽带和数字微波无线应用设计，典型增益为14.4dB, +4dBm输入三阶截取点(IP3)，2.3dB的噪声水平，在9.2mA电流时工作在3.0～5.5VDC。该器件有一个增益阶跃特性，即将低噪声放大器的增益减少24dB,同时将输入IP3增加到+13dBm，在大输入信号条件下有效改善接收器前端性能，并将电流降到3mA。IP3可以通过外接偏置电阻进行调节。

Intersil公司的SiGe ISL3685 2.4GHz RF/IF变换器和合成器包括一个低噪声的可选择增益放大器，然后是接收链中的一个下变频器混频器，一个上变频器混频器和发射链中的一个前置放大器。ISL3984 PA和检测器包括两级，合起来产生+18dBm的输出。检测器在15dB±1dB的动态范围内是准确的。这两个产品都工作在2.7～3.6VDC的单电源。

Atmel的SiGe代加工线生产能力已升级到最大频率达82GHz，该公司在生产了数百万SiGe产品以后，决定提高产品的频率上限。

IBM公司开创了SiGe研究的先河，现在也提供SiGe产品。这家公司研发了第一个具有SiGe前端的全球定位系统(GPS）Rx芯片组。12通道的Rx大小为40×66mm，但包括存储器，一个GPS晶体，连接器、实时时钟 以及PowerPC 401嵌入式处理器以提高吞吐力和进行应用开发。直接转换Rx芯片组能将RF信号转换为数字信号，而无需混频器、振荡器和滤波器。这家公司还生产IBM43RF0100，一种SiGe NPN型晶体管，在2GHz噪声为1.1dB，工作电压1～2.7VDC，10GHz的输入IP3能力为+10dBm。IBM与所有利用SiGe的制造商都有联系，并用它们自己的SiGe工艺设备提供加工服务。

当SiGe大步走向无线应用时，微波工业已经有近15年使用GaAs器件搭建系统的经验，而且GaAs器件的数量和种类超过SiGe。GaAs的支持者强调，如果考虑整个系统搭建的平台，GaAs具有不可比拟的优势，包括在芯片上集成无源元件，良好的工艺和很高的成品率。GaAs与其替代品之间的真正比较不但要包括器件成本，还必须包括将器件用到系统中的所有费用。考虑到这些，GaAs具有明显的竞争优势。

在Agilent公司GaAs仍然是主力（至少在功率应用方面），SiGe正在被评估。无线半导体分部研发部经理David Wu说。“我们觉得SiGe技术非常成熟，正在寻找最适合的应用领域。比如正在用SiGe实现上变频和下变频这样的功能，我们的一种芯片组，其下一代将用SiGe。”

Si双极器件的堡垒Motorola公司在这方面作出了很大贡献，现在两种类型的器件它都制造，覆盖所有可能的应用，从小功率无线话机到大功率雷达发射/接收(T/R）模块、医疗系统、大功率高频（HF)、甚高频(VHF)、超高频（UHF)发射机。局部多点分布系统(LMDS-local multipoint distribution system)FET可能会被广泛应用于无线基站，这归因于它的坚固性和良好的电学特性。

Agilent在功率市场还是新手， 它在GaAs增强型假形（psuedomophic)HEMT(E-PHEMT)工艺投了巨资。这项技术是为无线手机的低功耗放大器设计的，与GaAs MESFET 和HEMT 不同的是，它不需要负电源。公司相信采用这种技术的PA模块其电池寿命可增加15%，由于取消了负电源从而降低制造成本、减小印制板面积。Agilent公司最近宣布了一项计划，打算建造一座15000平方英尺的洁净度从100级到1级的厂房，每年专门生产48000个 6英寸圆片以支持GSM和CDMA PA 业务。

18GHz 以上的毫米波范围长期以来一直被看作商业应用的下一个大领域，尽管截止到目前，究竟是什么应用还无定论。然而随着互联网和个人无线通信的快速普及，即使最保守的专家都会准确地预测到这个几乎尚未应用的波段的真正市场。

个人通信服务(PCS)无线系统目前使用频率高达38GHz的毫米波无线电以实现从基站的回程链路，为设备制造商提供了巨大的收入。此外，第一个自适应巡航控制系统(曾经叫做免撞雷达)在豪华汽车上也找到了用场。这些工作在77GHz的系统已经在这个领域测试了许多年，但直到最近才与信号处理和计算功能集成到一起以满足瞬时作出决断的需要。

此外，局部多点分布系统（LMDS)概念表明与有线解决方案进行竞争，以提供高速互连网接入和其它可能的应用，有线解决方案包括线缆调制解调器和非对称数字用户线（ADSL）。工作在27～30GHz的LMDS将需要大量廉价的低功耗微波收发器。期望在55～60GHz工作的无线以太网，最终也会变为现实。

长期以来人们一直相信能够工作在100GHz毫米波段的一个化合物半导体材料是InP。在此频段，InP HEMT 是仅有的潜在可行解决方案，它还能提供大规模集成电路。InP 目前以HEMT的形式用在军事系统里。研究工作仍在众多公司和大学紧张进行，包括HRL 实验室、朗讯科技、TRW、北方电讯(Nortel）、日立、NEC和NTT等。它们在研究如何将目前仅用在军事系统的技术成本降低，从而转向商用高速数据和信号处理等领域。

不过，这个转变的进程受到高成本的7.5厘米圆片以及材料生长和处理过程中高缺陷密度限制。在许多应用领域里对极高速处理能力的几乎肯定的需求，将使InP 的研究在10年内能够生产商用产品。■