用于甚高频率的半导体技术

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1、April 2009 IEEE microwave magazine 77 用于甚高频率的用于甚高频率的 半导体技术半导体技术 毫米波长范围（30-300GHz）内除了其较低端外， 还没有很好地被利用。而在成像，安全，医疗，和短距 离无线传输以及数据速率不断提高的光纤传输中的新应 用可能会迅速地改变这种状态1，2。在过去的三十年 里，III-V 技术（GaAs 和 InP）已经逐渐扩大到这个毫米 波范围中。新近以来，由于工艺尺寸持续不断地减小， 硅技术已经加入了这个“游戏”。 在本文中，按照半导体特性和器件要求，对可用于 100-GHz 和 100-Gb/s 应用的半导体有源器件进行了综述。

2、随后介绍了使用最广泛的技术，接着是两个不同方面具 有竞争性的技术现状：分频器， 来说明该技术适宜用在高速数字 电路中，以及振荡器，用来说明 其在模拟电路应用中的性能。 材料和工艺的基本特性材料和工艺的基本特性 半导体材料的特性半导体材料的特性 运行在很高频率下的电子器件所表现的性能主要与：1) 组成半导体的材料特性和 2)器件的结构有关3。Si， GaAs 和 InP 是目前具有截止频率在 300GHz 及以上的器 件所选择的材料。在表 1，人们给出了一些相关的表征 能隙，载流子输运特性和导热性的参数。同样也报道了 与 InP，GaN和 InAs晶格相匹配的 InGaAs的特性。 拥有一个足够

3、大能隙（Eg1eV ）是很有利的，这 是因为它可以提供好的击穿特性。Si，GaAs 和 InP 在 100nm 实际上可以承受几伏的电压水平；此外，p-n 结 显示出很明晰的整流行为，室温下的 泄漏电流可以忽略不计。采用 GaN 可 以获得更高的击穿电压，InAs 因为其 能隙很低而只能用于电压很低的器件。 III-V 材料中的电子迁移率比硅的 要大，这意味着在给定的掺杂浓度下，n-型接触区具有 较低的串联电阻，而对于 p-型 区来说， 由于 III-V 材料 Andr Scavennec, Marko Sokolich, Yves Baeyens _ Andr Scavennec (andr

4、e.scavennec3-5lab.fr) is with Alcatel Thales III-V Lab, Route de Nozay, 91460 Marcoussis, France. Marko Sokolich (MSokolich ) is with HRL Laboratories, Malibu, CA 90265-4797, USA. Yves Baeyens (baeyensalcatel- ) is with Bell Labs, Alcatel-Lucent, Murray Hill, NJ 07974, USA. IEEE microwave magazine A

5、pril 2009 78 较低的空穴迁移率，情况则恰恰相反。然而，在器件的 高场强区控制跨导和渡越时间的载流子速度与取决于载 流子类型的饱和漂移速度相接近（Vsat或 Vsath取决于载 流子的类型；接近于 10nm/ps）。由于暂态效应（电子 从导带中的低能级，高迁移率能谷到达较高能级，较低 迁移率能谷的转换不是瞬间发生的），电子的传输通常 会受益于一些过冲量；例如，根据具有薄集电极的 InP 异质结双极性晶体管（HBT）的基极到集电极的渡越时 间所推导出的有效速度大于 3107cm/s，大约是饱和速 度的 5倍5。 甚高频率性能意味着较短的渡越时间和较低的 RC 寄生量；对于场效应管（FE

6、T）和双极性晶体管来说， 这通常可以通过减小电子器件的尺寸和提高电流密度来 实现（例如，见6）。对于极高频器件和电路来说，热 导率则成为一个重要的参数，硅在与其 III-V 技术的对 手相比时，其所具有的良好的导热性便成为一个真正的 优势，因为这有可能达到更高的器件密度。 基于 III-V技术的早期单片微波集成电路（MMIC） 的主要优点之一要归因于未掺杂（或补偿）基片的半绝 缘特性，这是与其大的半导体能隙直接相关的（基片的 电 阻 率 为 108.cm 的 数 量 级 ， 而 硅 的 电 阻 率 为 104.cm）。这使得可以实现具有低关联寄生效应的电 阻，电感和传输线。随着近来巨大的微波应

7、用市场的开 发（例如，移动电话网络），在硅基技术上引入无源器 件这方面已经取得了很大的进展。此外，绝缘体加载硅 基片技术（SOI）已经展示出其降低寄生效应的潜力 （然而，这是以较低的基片导热率为代价的）。 服务于高频应用的服务于高频应用的 FET 和双极性晶体管和双极性晶体管 今天，适用于高频应用的双极性晶体管和 FET 是基于异 质结结构的（除了是硅基 MOSFET以外）。对异质结的 开发已经有 40 多年了，并且在材料和晶格应力方面还 在不断地发展着。两种不同材料（具有同样的晶体结构 和同样的晶格参数）之间的异质结主要是由它们的能隙 差异，以及由这种差异所区分的导带和价带的阶跃方式 来表征

8、的（表 2）。在晶体管的有源区，异质结被用来 达到两个不同的目的： 不论它们各自的掺杂浓度如何，保证双极性晶 体管中从发射极向基极注入的是电子占主导地 位的载流子 在高电子迁移率晶体管（HEMT）中将电子局限 在未掺杂的量子肼中。 虽然最初是针对晶格匹配异质结来实施的，但很快 就显示出用在失配异质结中也可以增强性能，条件是应 力结晶层是在假晶厚度的极限内（如果生长层足够薄， 其晶格常数会调整到基片的晶格常数）。这种特性被用 在 HBT 中（例如渐变组分的方法，graded-composition） 来生成具有短的渡越时间的基极层，以及高迁移率 HEMT 的沟道层。在临界厚度以上，（失配程度越高

9、， 层厚就越薄），生长层松弛下来，在晶体结构中便会出 现晶格脱位。这种现象仍然可以被用来在基片的顶部生 成具有不同晶格参数的高质量晶体层，在中间有一个过 渡层（缓冲层）来俘获大多数的脱位。例如，这种结构 可以在被称为改性（metamorphic）HEMT 中找到，在松 弛缓冲层之上又生长了一层高质量的活性异质结构。特 别是，变性结构允许采用极高迁移率的 InAs 沟道7， 8。 目前，可以预见几种服务于 100-GHz 和 100-Gb/s 应用的技术：GaAs和 InP HEMT；InP和 SiGe HBT，这 些技术在过去的十年中已经在使用之中了；以及硅 CMOS 技术，从最近的一些情况来

10、看，它似乎要发挥作 用了。很有前景的技术如 GaN HEMT以及那些采用小能 隙材料的技术同样可以进入这个“游戏”。到目前为止， 由于 GaN HEMT非凡的微波和毫米波功率容量，人们已 对其进行了开发9。此外，与晶体结构相关的压电效应 所带来的高界面电子密度（大约 1013cm-2）可以用来补 偿相对较低的载流子迁移率，如果特定的结构设计可以 产生低接触电阻的话，那么使其具有甚高频率性能似乎 也是可行的10。 较高频率性能意味着较短的渡越时间和 较低的 较高频率性能意味着较短的渡越时间和 较低的RC寄生量寄生量。 April 2009 IEEE microwave magazine 79 H

11、BT 与与 FET 的差别的差别 除了 FET 是单极性器件以外（只有一种类型的载流子参 与晶体管的运行，而一个双极性器件则意味着两种类型 的载流子都参与运行），在双极性和 FET 技术之间还可 以观察到几种差别，特别是： HBT 器件具有指数性的驱动特性就是说，集电 极电流与输入电压之间的依赖关系是指数性的： icexp(Vbe/kT)，而 FET 器件的则是平方的关系 漏极电流随着电压的平方而变化的：idsk(Vgs2)。 对于 HEMT 来说，这种关系转化为具有较大分 散性的门限电压。这便是为什么高速数字或混 合信号集成电路（IC）通常采用 HBT 技术进行 设计的原因（但请记住 CMO

12、S 在数字集成电路 芯片中的成功）。另一方面，HEMT 呈现出比 双极晶体管较低的微波噪声（金属栅极电阻比 半导体基极电阻要低）。 HBT 晶体管是一个工作在很高电流密度下的垂 直沟道器件（100KA/m2，具有最高截止频率 的 HBT 的电流密度甚至1MA/cm2）。由于其 所具有的高相关热阻，HBT 的高功耗会削弱其 固有的低门限电压分散性这个优点。 虽然截止频率可以是类似的（直到 500GHz）， 微波双极晶体管通常是具有较低阻抗的器件， 这是由较高的跨导和输入电容来表征的。这会 产生一些后果，包括双极晶体管较低的负载灵 敏度。 现有工艺现有工艺 虽然一个设计人员可能不容易接触到不同的工

13、艺， 但还 是存在一些为数不多的具有下列工艺的制造厂家： 45-，65-和 90-nm CMOS 130- nm HBT SiGe 100- nm HEMT 500- nm HBT InP。 对 GaAs HEMT 的开发已经很长时间了，其栅极长 度远远小于 1m；就较早的 MESFET技术而言，主要的 技术变化是与更加复杂的异质外延结构相关的。类似地， III-V HBT技术通过将低频 GaAs 功率放大器用于手机之 中而取得了商业上的成功。只需通过转换到 InP 基的材 料系统，这个技术便可踏入甚高频领域。 新近，由于晶体管尺寸持续不断地下降，硅工艺也 同样登上了毫米波舞台。当 SiGe

14、HBT 技术被开发后， 这种技术通过深亚毫米工艺被引入到 Bi-CMOS 圆晶厂， 很快便呈现出具有与它们所对应的 III-V 技术相近的截 止频率。今天，这两个技术主要的不同之处是：1)SiGe HBT 技术具有更成熟的工业环境（较高的电路复杂程度 和扩展了 CMOS的环境），以及 2)该工艺较低的集电极 击穿电压。 当谈到应用时，决定哪种工艺最适合的主要因素可 能是下面几点，各自的分量取决于应用情况。 1) 性能。这是一个关键因素，特别是对于那些要 求具有最佳性能的应用来说。 2) 目标规范。应用的规范要求可能会改变（随着 标准的演变），对于新应用来说，具有一定程 度的灵活性也许是必要的。

15、 在临界厚度以上，生长层是松弛的，并 且在晶体结构中会出现晶格脱位 在临界厚度以上，生长层是松弛的，并 且在晶体结构中会出现晶格脱位。 IEEE microwave magazine April 2009 80 3) 直流功耗。为了减少设备的尺寸以及移动终端 的重量和功耗，低功耗是一个重要的因素。 4) 门数。这是另一个重要方面，因为数字信号处 理正在提高其在应用中的分量。 5) 成本。很显然这是一个很重要的问题，并且适 用于整个系统。而成本反过来则取决于所需的 器件数量（市场容量）：对于小的或中等数量 （几千到几万件）来说，III-V 工艺可能比 SiGe 的成本要低；对于更大的数量，情况则可能相 反。 成熟工艺的介绍及现状成熟工艺的介绍及现状 基于基于GaAs和和InP 的的P-HEMT和和M-HEMT 最初，GaAs 晶体管是具有 n-型沟道的肖特基栅 FET(MESFET)，因为 III-V 材料中电子的迁移率比空穴 的迁移率大得多。会妨碍实现 MOS 结构的表面很强的 费米能级钉扎效应却有利于开发肖特基