射频半导体材料的那点事

半导体材料可以分为元素半导体和化合物半导体两大类，元素半导体指硅、锗单一元素形成的半导体，化合物指砷化镓、磷化铟等化合物形成的半导体。砷化镓的电子迁移速率比硅高5.7倍，非常适合用于高频电路。

砷化镓组件在高频、高功率、高效率、低噪声指数的电气特性均远超过硅组件，空乏型砷化镓场效晶体管（MESFET）或高电子迁移率晶体管（HEMT/PHEMT），在3V电压操作下可以有80%的功率增加效率（PAE:poweraddedefficiency），非常的适用于高层（hightier）的无线通讯中长距离、长通信时间的需求。

砷化镓元件因电子迁移率比硅高很多，因此采用特殊的工艺，早期为MESFET金属半导体场效应晶体管，后演变为HEMT（高速电子迁移率晶体管），pHEMT（介面应变式高电子迁移电晶体）目前则为HBT（异质接面双载子晶体管）。异质双极晶体管（HBT）是无需负电源的砷化镓组件，其功率密度（powerdensity）、电流推动能力（currentdrivecapability）与线性度（linearity）均超过FET，适合设计高功率、高效率、高线性度的微波放大器，HBT为最佳组件的选择。

而HBT组件在相位噪声，高gm、高功率密度、崩溃电压与线性度上占优势，另外它可以单电源操作，因而简化电路设计及次系统实现的难度，十分适合于射频及中频收发模块的研制，特别是微波信号源与高线性放大器等电路。

砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同，砷化镓需要采用磊晶技术制造，这种磊晶圆的直径通常为4-6英寸，比硅晶圆的12英寸要小得多。磊晶圆需要特殊的机台，同时砷化镓原材料成本高出硅很多，最终导致砷化镓成品IC成本比较高。磊晶目前有两种，一种是化学的MOCVD，一种是物理的MBE。

SiGe

1980年代IBM为改进Si材料而加入Ge，以便增加电子流的速度，减少耗能及改进功能，却意外成功的结合了Si与Ge。而自98年IBM宣布SiGe迈入量产化阶段后，近两、三年来，SiGe已成了最被重视的无线通信IC制程技术之一。

依材料特性来看，SiGe高频特性良好，材料安全性佳，导热性好，而且制程成熟、整合度高，具成本较低之优势，换言之，SiGe不但可以直接利用半导体现有200mm晶圆制程，达到高集成度，据以创造经济规模，还有媲美GaAs的高速特性。随着近来IDM大厂的投入，SiGe技术已逐步在截止频率（fT）与击穿电压（Breakdownvoltage）过低等问题获得改善而日趋实用。

目前，这项由IBM所开发出来的制程技术已整合了高效能的SiGeHBT（Heterojunction Bipolar Transistor）3.3V及0.5μm的CMOS技术，可以利用主动或被动组件，从事模拟、RF及混合信号方面的配置应用。

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）和磷化铟（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。SiGeBiCMOS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，包括绝缘体硅（SOI）技术和沟道隔离技术。

不过硅锗要想取代砷化镓的地位还需要继续在击穿电压、截止频率、功率消耗方面努力。

RF CMOS

RF CMOS工艺可分为两大类：体硅工艺和SOI（绝缘体上硅）工艺。由于体硅CMOS在源和漏至衬底间存在二极管效应，造成种种弊端，多数专家认为采用这种工艺不可能制作高功率高线性度开关。与体硅不同，采用SOI工艺制作的RF开关，可将多个FET串联来对付高电压，就象GAAS开关一样。

尽管纯硅的CMOS制程被认为仅适用于数字功能需求较多的设计，而不适用于以模拟电路为主的射频IC设计，不过历经十几年的努力后，随着CMOS性能的提升、晶圆代工厂在0.25mm以下制程技术的配合、以及无线通信芯片整合趋势的引领下，RFCMOS制程不仅是学界研究的热门课题，也引起了业界的关注。采用RFCMOS制程最大的好处，当然是可以将射频、基频与存储器等组件合而为一的高整合度，并同时降低组件成本。但是症结点仍在于RFCMOS是否能解决高噪声、低绝缘度与Q值、与降低改善性能所增加制程成本等问题，才能满足无线通信射频电路严格的要求。

目前已采用RFCMOS制作射频IC的产品多以对射频规格要求较为宽松的Bluetooth与WLAN射频IC，例如CSR、Oki、Broadcom等Bluetooth芯片厂商皆已推出使用CMOS制造的Bluetooth传送器；英特尔公司宣布已开发出能够支持当前所有Wi-Fi标准（802.11a、b和g）并符合802.11n预期要求的全CMOS工艺直接转换双频无线收发信