【文章內(nèi)容簡介】 PAE＝（Prf，out－Prf，in）/PDC (15)這里，Pout為輸出功率，Pin為輸入功率，PDC為直流功率。目前研制的SiGe PA在效率最大時，640μm2的功率器件可以在900MHz提供大于70％的PAE，在2GHz時其值為63％；這么高的效率能和其他最先進(jìn)的功率放大器相媲美[29，30]。另一類是線性調(diào)制設(shè)計的PA（例如CDMA），它要求滿足最大的線性度，因而會對放大效率產(chǎn)生約束。該類功率放大器最主要的指標(biāo)是在滿足相鄰的通道功率比（AdjacentChannelPowerRatio）條件下放大器所能獲得的效率。ACPR定義為相鄰?fù)ǖ赖氖д婀β屎驮谛盘枎拑?nèi)信號功率的比值[24]。即該類PA要求最小失真條件下的最大效率。在滿足線性需求效率最大時，640μm2 SiGe功率器件已獲得44％的PAE，而ACP＝46dBc，這可以和其他PA技術(shù)相當(dāng)了。另外，既然SiGe HBT具有小的VCE，SAT（和GaAs相比），PA性能在VC＝。640μm2器件可以在飽和條件下仍能維持70％的PAE，在ACP＝46dBc時PAE為44％。這些結(jié)果表明SiGe可以滿足飽和和線性的手機(jī)功率放大器所需的性能要求[24]。 電壓控制振蕩器（VCO） VCO是電路設(shè)計的一個難點(diǎn)。表1給出了VCO的設(shè)計要求。理想的VCO應(yīng)該是沒有相位噪聲，調(diào)諧范圍大，對溫度、輸出負(fù)載變化和供給電壓變化都不敏感。相關(guān)的相位噪聲[31]為 1/4Q2（Δw/w0)2Pnoise/Pcarrier，其中Q是開環(huán)品質(zhì)因數(shù)，Δw是頻率偏移，w0是中心頻率，Pnoise是每個噪聲源的譜密度。該表達(dá)式指出：為提高相位噪聲特性，要使用高Q值的振蕩器，減少振蕩路徑上的有源器件和有損耗的無源器件，增大振蕩器的扇出（Pcarrier）。電感的Q值的提高、變?nèi)荻O管質(zhì)量的改進(jìn)和SiGe技術(shù)的引進(jìn)使VCO性能得到改善。使用SiGe技術(shù)，VCO可以完全單片集成。[32]，調(diào)諧范圍600MHz，在偏離中心頻率1MHz處的相位噪聲僅為－104dBc Hz－1，輸出功率－5dBm，功耗僅為65mW。 集成電路中的高Q值無源器件 無源器件通常包括電阻、電容、電感和變?nèi)荻O管。它們是實(shí)現(xiàn)SOC SiGe BiCMOS集成的必要元件。 電阻 電阻的關(guān)鍵參數(shù)是容差、寄生電容、溫度系數(shù)和電壓系數(shù)。一般說來，電阻是由單晶硅或多晶硅材料制成。單晶硅電阻的寄生電容比多晶硅大因此應(yīng)用較少。通過改變多晶硅淀積技術(shù)可以改變多晶硅晶體結(jié)構(gòu)，因此可以改變電阻的阻值。精確控制多晶硅厚度、淀積過程、注入劑量和熱處理過程可以減小電阻容差。方塊電阻越低，阻值越容易控制。多晶硅電阻的容差通常大于15％?，F(xiàn)在在SiGe BiCMOS應(yīng)用中發(fā)展了薄膜電阻，容差和寄生電容都得到減小。 BiCMOS TaN電阻的容差為10％左右，[33]。 電容 半導(dǎo)體工藝中電容主要有三種基本類型：(1）多晶硅柵襯底電容（MOS電容）；(2）多晶硅－電介質(zhì)－多晶硅電容（polypoly電容）；(3）金屬－絕緣體－金屬電容（MIM電容）。電容的主要指標(biāo)是單位面積的容值、底板的寄生電容和Q值。三種電容的特性概括于表3[24]。MOS電容單位面積電容值最大，而MIM電容的Q值最高，在2GHz可達(dá)70－80。通過比較電壓系數(shù)可知多晶－多晶電容具有最大的線性V－C關(guān)系，但MIM電容的Vcc更接近0。電容的Q值可以用下式表示：Q=energy stored/energy dissipated≈1/jCRs（16）可見Q值和串聯(lián)電阻成反比。所以要提高M(jìn)OS電容的Q值就必須減小串聯(lián)電阻。這在HBT工藝中可以用穿透注入來實(shí)現(xiàn)。表3 不同電容參數(shù)的比較ParameterMOSPOLYMIM單位面積容值(fF/μm2)容差 %151515TCC(ppm/℃)404022Vcc(ppm/V) +6660291840Vcc(ppm/V) 3330399237最大電壓(V)552GHz時的Q值207080電感 電感的三個關(guān)鍵參數(shù)是Q值、電感值和所占面積。電感所占的面積不能制作其他器件，所以，它占據(jù)了很大一部分版圖面積。圖12畫出了螺旋電感的剖面圖和它的等效模型。優(yōu)化電感設(shè)計時涉及的主要寄生元件是：螺旋串聯(lián)電阻（R1），襯底電阻（RR3）以及螺旋線和襯底間的寄生電容（CC2）。為了減小寄生效應(yīng)獲得高的Q值，可以減小串聯(lián)電圖12 電感的剖面圖和它的等效電路 圖13 三種變?nèi)荻O管 菱形點(diǎn)是MOS變?nèi)荻O管,三角形是定制注入的結(jié)型,二極管圓形是未定制的結(jié)型二極管阻、改變有效襯底電阻和減小氧化電容。減小串聯(lián)電阻是提高Q值最有效的方法，通常我們采用厚的、窄的、低阻值的金屬線來改善串聯(lián)電阻。這種方法可以將Q值提高100％左右[34]。改變有效襯底電阻可以減小在襯底上的損耗。通常用高阻值的襯底和采用接地板的方法可以減小襯底的損耗。此種方法可以將Q值提高50％[35，36]。減小氧化層電容也可以將Q提高20％左右[24]。 變?nèi)荻O管 變?nèi)荻O管的關(guān)鍵參數(shù)是調(diào)諧范圍和Q值。把一個FET的偏置從積累變到反型，電容會發(fā)生很大變化，可用作變?nèi)荻O管。反偏的結(jié)型二極管也構(gòu)成變?nèi)荻O管[26]。MOS變?nèi)荻O管的調(diào)諧范圍大但線性度差。注入型的結(jié)型二極管的線性度較好但調(diào)諧范圍小。通過調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管的注入可以改善其調(diào)諧范圍。圖13比較了三種變?nèi)荻O管的調(diào)諧范圍?？梢姡{(diào)節(jié)注入的結(jié)型二極管的調(diào)諧范圍明顯高于其他類型的變?nèi)荻O管。對于Q值，三種變?nèi)荻O管的Q值都和串聯(lián)電阻有關(guān)。串聯(lián)電阻越小，Q越高。Q值由低到高的順序是：MOS變?nèi)荻O管、調(diào)節(jié)注入結(jié)型二極管和未調(diào)節(jié)的結(jié)型二極管，和調(diào)諧范圍的順序正好相反。
五 結(jié) 語 自20世紀(jì)80年代末前第一個功能SiGe HBT問世以來，SiGe技術(shù)發(fā)展迅速。其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)展到無線通信、光纖通信等各種數(shù)字、模擬或混合電路中。而今，IBM已研制出350GHz的SiGe HBT管，正在研制工作在150GHz以上的用于通信系統(tǒng)的電路芯片。與傳統(tǒng)的Si晶體管技術(shù)相比，先進(jìn)的SiGe HBT由于其能帶工程上的優(yōu)勢，使其比Si BJT特性大為改善，又由于SiGe工藝與Ⅲ－Ⅴ族化合物工藝相比具有明顯價格優(yōu)勢，SiGe器件逐漸在市場上占領(lǐng)了自己的份額并有不斷擴(kuò)展的趨勢。隨著SiGe HBT BiCOMS工藝的發(fā)展，隨著光纖通信和全球無線通信市場對高速器件的需求不斷增長，原先僅為化合物半導(dǎo)體才能勝任的領(lǐng)域SiGe器件也可實(shí)現(xiàn)，且其成本卻要低的多。在未來的發(fā)展中，Si基器件仍將是市場的主流。SOI等襯底技術(shù)的引入，SiGe HBT和其他無源器件的發(fā)展給現(xiàn)有的Si基工藝帶來了新的發(fā)展，將完全有能力實(shí)現(xiàn)工作在100GHz以上的超高速電路。致謝：感謝王啟明院士對本文的指導(dǎo)。SiGe HBTs and the Application in RF Circuits
Yao Fei, Cheng Buwen
(State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100083, CHN)Abstract The silicon germanium(SiGe) heterojunction bipolar transistor(HBT) is the first practical bandgapengineered device to be realized in bination of SiGe HBT39。s with advanced Si CMOS to form an SiGe BiCMOS technology represents a unique opportunity for Sibased RF systemonachip solutions. SiGe HBT technology is reviewed and its application for RF systems is also discussed. Keywords SiGe。 HBT。 BiCMOS。 RF。LNA。PA。VCO參考文獻(xiàn)：1 Kroemer H, Theory of a widegap emitter for transistors, 45 ,1957，153572 Meyerson B S. Low temperature silicon epitaxy by untrahigh vacuum/chemical vapor depositon, Appl Phys Lett, 1986, :7973 Iyer S S, Patton G L et al Silicongermanium base heterojunction bipolar transistors by molecular beam epitaxy, IEDM Tech Dig, 1987: 8744 Rich J S, Jagannathan B, Chen H, Schonenberg K T, Angell D, Chinthakindi A, Florkey J, Golan F, Greenberg D, Jeng S J, Khater M, Patette F, Schnabel C, Smith P, Stricker A, Vaed K, Volant R, Ahlgren D, Freeman G, Stein K and Subbarrna S, SiGe HBTs with cutoff frequency of 350GHz, Electron Devices Meeting, 2002. IEDM 39。02. Digest. International , 2002: 771 7745 Jain S C,Germaniumsilicon strained layers and heterostructures，Advances in Electronics and Electron Physics Series (Suppl. 24) ed P W Hawkes (Boston: Academic)，19946 Ansley W E, Cressler J D and Richey D M,Base profile optimization for minimum noise figure in advanced UHV/CVD SiGe HBTs，IEEE Trans. Microw. Theory Tech, 1994, : 653607 Hawkins R J,Limitations of Nielsen39。s and related noise equations applied to microwave bipolar transistors, and a new expression for the frequency and current dependent noise figure， SolidState Electron., 1977, 20: 19168 Jain S C，Decoutere S，Willander M and Maes H E, SiGe HBT for application in BiCMOS technology:Ⅱ.Design,technology and performance,. 2001,16:6785,9 K168。onig U and Gruhle A ,High frequency SiGe heterostructure devices, Proc. IEEE/Cornell Conf. On Advanced Concepts in High Speed Semiconductor Devices and Circuits (Cat. No 97CH36078) 1997: 1423,10 Sch168。uppen A, Erben U, Gruhle A, Kibbel H, Schumacher H and K168。onig U , Enhanced SiGe heterojunction bipolar transistors with 160 GHz fmax, Int. Electron Device Meeting Tech. Digest 1995: 743611 Arndt J, Dietrich H, Sch168。uppen A and Erben U ,SiGekey technology for economic solutions in high frequency, GaAs 98 Conf. Proc. (London: Miller Freeman) 1998: 19920412 Cressler J D, SiGe HBT technology: a new contender for Sibased RF and microwave circuit applications, IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 1998,46: 57289 13 Patton ，Iyer ， Delage ，Tiwari Stork, ，Silicongermanium base heterojunction bipolar transistors by molecular beam epitaxy IEEE Electron Device Letters , Apr 1988,