硅锗技术以功率放大器进军无线通信和手机应用领域

2007-03-30 11:32:06来源: 电子工程世界

随着工艺进步,硅锗技术业已用于CDMA、GSM和 WLAN 应用中的高功率放大器,提供新一代集成解决方案

  现今,硅锗 (silicon germanium, SiGe) 技术已经从一种富有潜力的技术,发展成为目前和新一代移动设备的先进解决方案,广泛应用于手机、无线局域网 (WLAN) 和蓝牙等产品。自上世纪 80 年代问世以来,SiGe 一直是那些追求低成本,并要求性能高于普通硅器件的高频应用开发人员最感兴趣的一种半导体材料。在无线通信应用中,这种技术已被广泛接受,用于下变频器、低噪声放大器 (low-noise amplifier, LNA)、前置放大器 (preamplifier) 和 WLAN 功率放大器 (power amplifier, PA)。

  现在,SiGe 技术已经应用于高功率放大器产品,如CDMA和GSM手机。由于这种半导体可以集成更多电路,它将在未来功率放大器与无线射频 (RF) 电路的集成方面发挥重要作用。

SiGe技术的优势

  降低手机设计成本的两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术。

  SiGe 技术具备种种极具吸引力的优点。作为硅材料中的“小兄弟”,SiGe既拥有硅工艺的集成度、良率和成本优势,又具备第3到第5类半导体 (如砷化镓(GaAs) 和璘化铟 (InP)) 在速度方面的优点。只要增加金属和介质叠层来降低寄生电容和电感,就可以采用SiGe半导体技术集成高质量无源部件。此外,通过控制锗掺杂还可设计器件随温度的行为变化。SiGe BiCMOS 工艺技术几乎与硅半导体超大规模集成电路 (VLSI) 行业中的所有新技术兼容,包括 SOI 技术和沟道隔离技术 (注1)

  实验证明,SiGe 器件的工作频率可高达 350 GHz (注2);而普通硅芯片的工作频率只能达到几个 GHz,而且其电流速度为普通硅半导体的2到4倍 (注3)。此外,SiGe器件还在噪声、功效、散热性能方面优于第3至第5类双极晶体管。事实上,硅基片的热导率是GaAs的3倍。

  SiGe 的种种优势使其能在 WLAN、有线电视电话和光通信应用中实现低成本、高性能产品。随着击穿电压和高性能无源部件集成领域的技术发展,SiGe 正逐渐占据传统的 GaAs 领地,即手机功率放大器应用的领域。


击穿电压

  手机功率放大器必须能在高压下应对10:1的电压驻波比 (Voltage Standing Wave Ratio, VSWR),并能发送 +28dBm (用于CDMA手机) 到 +35dBm (用于GSM手机) 的信号。由于 GaAs 半导体具有较高的击穿电压,因此传统的功率放大器一直采用 GaAs 技术。然而 GaAs 这一优势的吸引力很有限,因为这种半导体的成本高,又难以与其它无线电路相集成。这种缺陷在需要多个功率放大器的多模手机上尤其明显;而且由于还没有低成本的硅半导体工艺可以实现这类集成,手机的用材将会增加。

  为了制造出满足严格的手机技术要求的 SiGe 功率放大器,加拿大 SiGe 半导体公司采用fT为 30GHz 的主流 SiGe 工艺,与 InGaP使用的主流工艺相类似。选择这种工艺,主要着眼于手机应用环境下功率放大器的击穿电压、线性性能、效率以及集成方面的优势。

  为了确保高功率下的可靠性, SiGe 技术的 +5.5VDC 击穿电压必须获得改善。SiGe 半导体公司的设计人员开发出专有的电路、工艺技术和晶体管。利用这些开发成果就可以生产出高功率的功率放大器,其击穿电压能够在整个工作循环中,以及在满功率和 +5V (当用于CDMA手机) 或 +4.5V (当用于GSM手机) 电源电压下,可靠地应对10:1电压驻波比。 (图2)

图2:SiGe功率放大器能在整个工作循环中,在 +35 dBm的峰值输入功率和 +5 VDC条件下应对10:1电压驻波比

  低击穿电压和随之引起的可靠性问题是 RF CMOS (另一种基于硅半导体的技术) 无法实现体积小、占位少、成本低和功效高射频功率放大器的原因所在 (参见表 1)。例如,为了提高工作效率,RF CMOS 芯片必须大幅度提高电流强度,因此需要更大的晶体管,这意味着芯片的尺寸会变大。此外,晶体管增大后会使器件的功效降低。这些权衡因素使 RF CMOS 技术在手机的高效功率放大器领域上很不称职。

集成无源部件

  过去,SiGe 器件中无源部件的性能低于 GaAs 中的无源部件,尤其是在无线收发设计中扮演关键角色的电感组件。新的SiGe半导体工艺采用较厚的铜和铝顶层来实现高性能无源部件的集成。由于 SiGe 器件具有最多 5 个互连层,因此无源部件可以堆叠在芯片上,并在叠层顶部加入高品质 (即高Q值) 的电感器,而最终器件将在工艺技术上胜过第3到第5类半导体材料制造的产品。

手机应用

  由于技术的进步,SiGe现已具有较高的击穿电压,足以达到GSM-EDGE/CDMA以及最新 WLAN (包括802.11g标准的WLAN) 应用所要求的功率放大器效率和线性度指标。

  因此,在设计电池供电设备时,设计人员可以充分利用 SiGe 技术在成本、集成度、噪声和高频特性方面的优势。而且,在数字电路需要与模拟电路接口时,可采用 SiGe BiCMOS 技术,因为其电压余量和噪声性能均符合要求 (RF CMOS中的电压会逐渐递减,这将会减弱数字电路与具有高动态电压范围的模拟输入的接口能力)。

  与用于手机功率放大器的第3到第5类半导体相比,SiGe 的主要优势体现在成本上。SiGe 的主流工艺采用200毫米 (8英寸) 晶圆,并正在向 300 毫米晶圆目标发展;但 GaAs 却是使用 4 到 6 英寸晶圆制造的,由于晶圆尺寸较小,在良率和工艺成本方面不利。

  采用最新的沉积工具如批量超高真空化学气相沉积系统 (ultra-high vacuum chemical vapor deposition, UHVCVD) ,以及单晶圆工具,能够在200毫米晶圆上可靠地沉积出高质量的 SiGe,因此可以使用硅制备设施或硅代工厂实现SiGe基层的外延生长。

  采用 SiGe 的另一个主要优势是高集成度,通过使用SiGe,设计人员可在功率放大器周围集成更多的控制电路。这样,最终的器件就比第3到第 5类半导体器件更加节省板卡空间,因为后者需要功率放大器芯片再加一块 CMOS 控制芯片,而SiGe却能将这两项功能集成到一块芯片中,并具有集成更多无线功能的潜力。

  功率放大器需要控制电路来实现 RF 输出功率控制所需的一些调节功能、或直接控制功率放大器的开启/关闭。同时,这个控制电路也被用于提高功率放大器的效率,使其具有较宽的射频输出功率范围。例如,输出功率的大小可根据手机距基站的距离变化;而为了最大限度地延长通话时间,设计人员需要在整个功率范围来优化功率放大器的性能,而不是仅就最大输出功率进行优化。这些设计都可以通过集成控制电路来实现。

  在不久将来,设计人员很可能需要将 RF 电路集成到 CMOS 电路或功率放大器芯片中。采用 SiGe技术,设计人员就可以将功率放大器和 RF 电路集成在一起,却不会影响功率放大器的效率,因而不会缩短手机电池的寿命。这一点很重要,因为集成 RF 电路应该比将所有无线电路 (包括功率放大器部分) 都集成到 CMOS 电路中尺寸更小,而成本效益更高。

  例如,为了延长手机的通话时间和实现更多功能,CMOS 工艺尺寸应当缩小到 90nm 或更小,而且由于掩模成本太昂贵,因此也无法在CMOS中开发无线电路。采用SiGe技术却是实现集功率放大器、控制电路和 RF电路于一身的高性能、高集成度无线前端的好方案。

其它应用

  SiGe 半导体制造和设计技术在手机应用领域的进展,也为包括 WLAN 和光通信在内的其它通信应用领域带来好处。

  在未来的产品中,WLAN 的数字电路很可能被纳入通信处理器中,这就产生了对独立无线电路的需求。SiGe BiCMOS 正是非常适合这一需求的高成本效益低功率方案。对于蓝牙应用,可采用 SiGe 生产出噪音极低的低功率无线电路。在光通信应用领域,采用 SiGe 可集成更多的控制电路和光网络接口电路;并将噪声极低的放大器和所有控制电路放置到距离光部件很近的位置。

前景展望

  SiGe BiCMOS 现已发展成为相当成熟的未来无线技术,其击穿电压和集成能力可以满足现今手机、WLAN 和蓝牙应用的功率放大器和无线电路要求。此外,它也是非常有前途的技术,能够满足一些可以预见的未来集成要求。


注1:Browne, Jack. “SiGe Technology Makes Practical Advances,” Microwaves & RF. October 1999.
注2:Johansson, Ted & Johan Pejnefors. “Modular Concept Overcomes SiGe Bipolar Process Problems.” Compound Semiconductor. June 2003.
注3:Ouellette, Jennifer. “Silicon-Germanium Gives Semiconductors the Edge.” The Industrial Physicist. June/July 2002.

关键字:噪声  变频  无线  射频

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