SiGe技术简介
硅锗(SiGe)是一种由硅(Si)和锗(Ge)组成的合金半导体材料,其分子式可表示为Si1-xGex,其中x表示锗的摩尔分数。作为一种新型半导体材料,SiGe正在推动低成本、轻量化个人通信设备的革命性发展。
SiGe技术的核心是SiGe异质结双极晶体管(HBT)。与传统的硅双极晶体管相比,SiGe HBT具有更高的速度、更低的噪声和更低的功耗等优势。这使得SiGe成为实现通信电路的理想选择,特别是在射频和模拟应用方面表现出色。
图1: SiGe HBT的能带结构示意图
SiGe技术的发展历程
SiGe技术的概念最早可以追溯到晶体管发明的早期。然而,由于在硅上生长晶格匹配的SiGe合金存在困难,这一概念在最初的几十年里并未得到实际应用。
直到20世纪80年代,IBM公司才开始着手开发SiGe技术,最初是针对高端计算市场。但由于功耗较高的问题,这一努力并未取得成功。
1990年代初期,IBM重新将SiGe项目聚焦于迅速发展的通信市场。有趣的是,对于射频通信电路而言,SiGe HBT在实现同等性能的情况下,功耗反而远低于CMOS。自那时起,SiGe技术取得了重大进展。
目前,SiGe技术正在全球范围内得到开发和应用,已成为每个主要电信公司产品路线图中的重要组成部分。其应用范围涵盖有线和无线通信电路、磁盘存储以及高速高带宽仪器等领域。
SiGe技术的工作原理
SiGe HBT的结构与传统的硅双极晶体管类似,但基区采用了禁带宽度更窄的SiGe材料。通常,锗的成分在基区内呈梯度分布,从而在基区内形成一个加速少数载流子运动的电场,电场强度通常在30-50 kV/cm左右。
这种基区内的锗梯度分布直接带来了以下几个优势:
- 更高的速度,从而实现更高的工作频率。
- 相比硅BJT,晶体管增益显著提高。
- 在相同工作电流下,SiGe HBT具有更高的增益、更低的射频噪声和更低的1/f噪声。
- 更高的原始速度可以用来换取更低的功耗。
SiGe技术与CMOS的比较
随着CMOS技术的不断进步,一个经常被提出的问题是:"为什么SiGe器件不能被CMOS取代?"
事实上,SiGe与CMOS各有优势:
- CMOS的优势:较高的fT和fmax、更好的线性度以及更低的工作电压。
- SiGe HBT的优势:出色的噪声性能和更高的跨导。
在不同的电路应用中,SiGe和CMOS的面积密度也存在差异。对于射频低噪声放大器,SiGe HBT电路的面积仅为等效功能CMOS电路的1/4到1/3。而对于微处理器中的密集缓存,CMOS电路的面积则为BJT电路的1/4到1/3。
噪声性能是SiGe HBT相对CMOS的一个主要优势。CMOS的1/f噪声(由于载流子在界面态的俘获-释放过程)和热噪声(由于栅极和沟道电阻)都显著高于SiGe HBT。为了降低噪声,CMOS设计通常需要使用非常大的器件尺寸和较大的工作电流。
下表对CMOS、传统硅BJT和SiGe BJT的主要性能指标进行了比较:
| 参数 | CMOS | Si BJT | SiGe BJT |
|---|---|---|---|
| fT | 高 | 高 | 高 |
| fmax | 高 | 高 | 高 |
| 线性度 | 最佳 | 好 | 更好 |
| Vbe(或VT)跟踪 | 差 | 好 | 好 |
| 1/f噪声 | 差 | 好 | 好 |
| 宽带噪声 | 差 | 好 | 好 |
| 早期电压 | 差 | 一般 | 好 |
| 跨导 | 差 | 好 | 好 |
SiGe BiCMOS集成
SiGe技术的真正潜力不仅仅在于简单地替换现有系统中的GaAs器件。其真正的优势在于能够利用现有的CMOS工艺,在单个芯片上集成模拟、射频和数字电路。这是其他技术(如GaAs)所无法实现的。此外,它还使得直接转换和软件无线电等新架构的实现成为可能。
将SiGe HBT与CMOS集成的过程比简单地添加SiGe低温外延(LTE)工艺要复杂得多。在添加SiGe HBT后,必须保持CMOS的性能(与其父CMOS工艺相同),以便使用现有的数字ASIC库和设计方法。同样,CMOS处理步骤也不能显著改变SiGe HBT的掺杂剖面(从而影响其性能)。BiCMOS集成的两个主要问题是热预算和工艺模块化与工艺共享之间的权衡。
图2: SiGe BiCMOS集成示意图
SiGe技术的应用前景
SiGe技术正在推动一系列低成本、轻量化个人通信设备的革命,如数字无线手机、数字机顶盒、直播卫星(DBS)系统、汽车防撞系统和个人数字助理等。SiGe技术延长了无线电话电池的使用寿命,使通信设备更小巧、更耐用。
目前,结合了蜂窝电话、全球定位和互联网接入功能的多功能、低成本、移动客户端设备正在使用SiGe技术进行设计。这些能够在语音和数据网络上通信的多功能设备代表了计算未来的关键元素。
在空间探索领域,SiGe热电器件也得到了应用。例如,MHW-RTG3型SiGe热电器件被用于旅行者1号和2号探测器。类似的SiGe热电器件还被用于卡西尼、伽利略和尤利西斯等探测器的RTG系统中。
最新研究进展
SiGe技术的发展仍在持续。目前(2022年9月),最快的SiGe HBT的截止频率(fT)已超过210 GHz,最大振荡频率超过285 GHz。使用这些HBT构建的数字ECL门延迟仅为4.3 ps,电流消耗仅为1毫安。这一成果令人瞩目,正如IBM的Bernard Meyerson博士所说:
就像飞机一度被认为无法突破所谓的"声障"一样,基于硅的晶体管曾经被认为无法突破200GHz的速度障碍(现在我们用SiGe已经远远超过了200 GHz)!
此外,来自荷兰埃因霍温理工大学的研究人员通过控制六方SiGe合金的成分,开发出了一种能够发光的材料。结合其电子特性,这为在单个芯片上集成激光器开辟了可能性,有望实现使用光而不是电流进行数据传输,从而加快数据传输速度,同时减少能耗和冷却系统的需求。
未来展望
毫无疑问,SiGe BiCMOS是有史以来发展最快的半导体工艺,并有望继续保持增长势头。未来,通过缩放和创新的器件结构优化,将会产生更快的HBT,从而实现更高带宽的通信。过去积累的经验和教训将加速下一代SiGe技术的发展,实现更高的速度和集成度。
处理模块化和成熟度的提高最终可能实现多个版本的HBT,分别针对无线、有线或存储应用进行优化,或者提供一个单一的HBT工艺,为所有应用提供最佳的整体性能。当前SiGe设计套件中的设计和验证工具将得到改进,以实现首次通过高频混合信号设计,这在目前仅在VLSI数字设计中可行。
总的来说,SiGe技术正在推动通信领域的革命性变革。随着技术的不断进步和应用范围的扩大,我们有理由期待SiGe在未来将在更多领域发挥重要作用,为人类的通信和生活方式带来更多创新和便利。
