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用于毫米波的半導(dǎo)體技術(shù)來源：內(nèi)容來自「微波射頻網(wǎng)」，謝謝。 毫米波長范圍（30-300GHz）內(nèi)除了其較低端外，還沒有很好地被利用。而在成像，醫(yī)療，和短距離無線傳輸以及數(shù)據(jù)速率不斷提高的光纖傳輸中的新應(yīng)用可能會迅速地改變這種狀態(tài)[1]，[2]。在過去的三十年里，III-V 技術(shù)（GaAs 和InP）已經(jīng)逐漸擴(kuò)大到這個毫米波范圍中。新近以來，由于工藝尺寸持續(xù)不斷地減小，硅技術(shù)已經(jīng)加入了這個“游戲”。 材料和工藝的基本特性 運(yùn)行在很高頻率下的電子器件所表現(xiàn)的性能主要與：1)組成半導(dǎo)體的材料特性和2)器件的結(jié)構(gòu)有關(guān)[3]。Si，GaAs 和InP 是目前具有截止頻率在300GHz 及以上的器件所選擇的材料。在表1，人們給出了一些相關(guān)的表征能隙，載流子輸運(yùn)特性和導(dǎo)熱性的參數(shù)。同樣也報道了與InP，GaN 和InAs 晶格相匹配的InGaAs 的特性。 擁有一個足夠大能隙（Eg>1eV ）是很有利的，這是因?yàn)樗梢蕴峁┖玫膿舸┨匦?。Si，GaAs 和InP 在100nm 實(shí)際上可以承受幾伏的電壓水平；此外，p-n 結(jié)顯示出很明晰的整流行為，室溫下的泄漏電流可以忽略不計。采用GaN 可以獲得更高的擊穿電壓，InAs 因?yàn)槠淠芟逗艿投荒苡糜陔妷汉艿偷钠骷?/span> 甚高頻率性能意味著較短的渡越時間和較低的RC寄生量；對于場效應(yīng)管（FET）和雙極性晶體管來說，這通常可以通過減小電子器件的尺寸和提高電流密度來實(shí)現(xiàn)（例如，見[6]）。對于極高頻器件和電路來說，熱導(dǎo)率則成為一個重要的參數(shù)，硅在與其III-V 技術(shù)的對手相比時，其所具有的良好的導(dǎo)熱性便成為一個真正的優(yōu)勢，因?yàn)檫@有可能達(dá)到更高的器件密度。 服務(wù)于高頻應(yīng)用的FET 和雙極性晶體管
雖然開始是針對晶格匹配異質(zhì)結(jié)來實(shí)施的，但很快就顯示出用在失配異質(zhì)結(jié)中也可以增強(qiáng)性能，條件是應(yīng)力結(jié)晶層是在假晶厚度的極限內(nèi)（如果生長層足夠薄，其晶格常數(shù)會調(diào)整到基片的晶格常數(shù)）。這種特性被用在HBT 中（例如漸變組分的方法，graded-composition）來生成具有短的渡越時間的基極層，以及高遷移率HEMT 的溝道層。在臨界厚度以上，（失配程度越高，層厚就越?。?，生長層松弛下來，在晶體結(jié)構(gòu)中便會出現(xiàn)晶格脫位。這種現(xiàn)象仍然可以被用來在基片的頂部生成具有不同晶格參數(shù)的高質(zhì)量晶體層，在中間有一個過渡層（緩沖層）來俘獲大多數(shù)的脫位。例如，這種結(jié)構(gòu)可以在被稱為改性（metamorphic）HEMT 中找到，在松弛緩沖層之上又生長了一層高質(zhì)量的活性異質(zhì)結(jié)構(gòu)。特別是，變性結(jié)構(gòu)允許采用極高遷移率的InAs 溝道[7]，[8]。 HBT 與FET 的差別 ? HBT 器件具有指數(shù)性的驅(qū)動特性[就是說，集電極電流與輸入電壓之間的依賴關(guān)系是指數(shù)性的：icαexp(Vbe/kT)]，而FET 器件的則是平方的關(guān)系[漏極電流隨著電壓的平方而變化的：idsαk(Vgs2)]。對于HEMT 來說，這種關(guān)系轉(zhuǎn)化為具有較大分散性的門限電壓。這便是為什么高速數(shù)字或混合信號集成電路（IC）通常采用HBT 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計的原因（但請記住CMOS 在數(shù)字集成電路芯片中的成功）。另一方面，HEMT 呈現(xiàn)出比雙極晶體管較低的微波噪聲（金屬柵極電阻比半導(dǎo)體基極電阻要低）。 ? 雖然截止頻率可以是類似的（直到500GHz），微波雙極晶體管通常是具有較低阻抗的器件，這是由較高的跨導(dǎo)和輸入電容來表征的。這會產(chǎn)生一些后果，包括雙極晶體管較低的負(fù)載靈敏度。 雖然一個設(shè)計人員可能不容易接觸到不同的工藝，但還是存在一些為數(shù)不多的具有下列工藝的制造廠家： 對GaAs HEMT 的開發(fā)已經(jīng)很長時間了，其柵極長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1μm；就較早的MESFET 技術(shù)而言，主要的技術(shù)變化是與更加復(fù)雜的異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)相關(guān)的。類似地，III-V HBT 技術(shù)通過將低頻GaAs 功率放大器用于手機(jī)之中而取得了商業(yè)上的成功。只需通過轉(zhuǎn)換到InP 基的材料系統(tǒng)，這個技術(shù)便可踏入甚高頻領(lǐng)域。 當(dāng)談到應(yīng)用時，決定哪種工藝適合的主要因素可能是下面幾點(diǎn)，各自的分量取決于應(yīng)用情況。 成熟工藝的介紹及現(xiàn)狀 當(dāng)初，GaAs 晶體管是具有n- 型溝道的肖特基柵FET(MESFET)，因?yàn)镮II-V 材料中電子的遷移率比空穴的遷移率大得多。會妨礙實(shí)現(xiàn)MOS 結(jié)構(gòu)的表面很強(qiáng)的費(fèi)米能級釘扎效應(yīng)卻有利于開發(fā)肖特基柵極。MESFET的性能通過提高溝道的摻雜濃度而逐漸改善；這是以電子遷移率（當(dāng)摻雜濃度提高時，遷移率下降）和柵極泄漏電流為代價的。在1980 年所引入的HEMT 結(jié)構(gòu)(見圖1) 可以同時實(shí)現(xiàn)兩種改善：1) 通過一個高遷移率溝道來提高溝道電流（產(chǎn)生一個高跨導(dǎo)），以及2）由于寬能隙勢壘而改善了柵極泄漏。 圖1、HEMT 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶圖展示了夾在半-絕緣（SI）基片和勢壘層之間的窄能隙溝道。在這個圖中，勢壘層是δ 摻雜，這意味著將施主雜質(zhì)引入到一個極薄層內(nèi)。溝道中的電子在界面的量子肼中積累，界面導(dǎo)帶偏移量（ΔEc）控制著表面密度ns。 目前，正在GaAs 基片上開發(fā)兩種類型的HEMT: 2) 采用GaAs M-HEMT（改性HEMT）可以獲得更高的速度，它基本上是一個在GaAs 基片的松弛緩沖層上生長一個晶格匹配的InP 結(jié)構(gòu)（具有一個ALInAs/InGaAs 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)）。這個結(jié)構(gòu)得益于InP 基結(jié)構(gòu)較高的速度和與較大，較脆GaAs 基片相關(guān)的低成本。雖然緩沖層的熱導(dǎo)性相當(dāng)差，但這個技術(shù)在100GHz 下仍然顯示出出色的功率和噪聲性能。 InP HBT 1) InGaAs（晶格與InP 相匹配）材料中的遷移率和電子速度比GaAs 或SiGe 的更高。 3) 由于在基極中使用了窄能隙InGaAs，則具有比GaAs 較低的基極-發(fā)射極開啟電壓。 5) 產(chǎn)品具有比其它任何Si 或III-V 材料更高的擊穿電場/截止頻率的乘積。 7) 由于許多三價半導(dǎo)體材料的晶格與InP 的相匹配，從而具有一種增強(qiáng)的“用能隙來操縱”HBT 的能力。 SiGe HBT-BiCMOS；CMOS 和NMOS 在過去的幾年中，隨著極短柵極工藝過程的采納（現(xiàn)在是在45-90nm 的范圍），人們已經(jīng)報道了具有極高截止頻率的n-溝道MOS 晶體管（ft>200GHz）[22]。這種與半導(dǎo)體國際技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖相一致的結(jié)果，實(shí)際上是從前于III-V HEMT（昂貴）的電子束加工工藝過程和許多正在發(fā)生的MOS 結(jié)構(gòu)演變所產(chǎn)生的柵極長度減小的結(jié)果。正像HEMT 結(jié)構(gòu)一樣，通過較高的遷移率溝道（例如所獲取的應(yīng)變硅溝道）以及由所謂的高-K 電介質(zhì)柵極所產(chǎn)生的具有合適的氧化層厚度與溝道的長度比值，使得性能得到了加強(qiáng)（由于SiO2 可以提供無與倫比的Si 鈍化作用，它的相對介電常數(shù)-只有4 -在柵極長度，柵極厚度按比例減小時，就變得太低了）。 圖2、在互連之前，發(fā)射極寬度為0.6μm 的InP DHBT 的顯微照片。HBT 是采用三層臺面（Triple-Mesa）自對準(zhǔn)工藝制作的[18]。 III-V 器件：與CMOS的共同集成 從晶體管到電路 目前，人們已可以明確不同技術(shù)在特定方面的勝出，見表3。 這個表繪制了一幅演變現(xiàn)狀的畫面。在接下來的討論中，將用兩種不同類型的演示電路來對畫面進(jìn)行具體的說明。T.Swan，Y.Baeyens，和M.Meghelli 在文章中對特定的100-Gb/s 光波電路在該方面的進(jìn)展進(jìn)行了討論[53]。 用于數(shù)字電路的半導(dǎo)體工藝通常是用靜態(tài)分頻器的性能來作為衡量基準(zhǔn)的。由于一個靜態(tài)分頻器使用的是可以在更復(fù)雜的時序電路中找到的觸發(fā)器單元元件[36]，因此這樣一個電路的性能可以作為公認(rèn)的數(shù)字集成電路工藝的質(zhì)量因數(shù)。相同的觸發(fā)器被用作分頻器，判斷電路，10/100-Gb/s 系統(tǒng)復(fù)用器的基本單元[37]。在使用類似基礎(chǔ)元件的不同電路中，選擇靜態(tài)分頻器的原因是因?yàn)樗『檬遣捎煤唵蔚臏y量設(shè)備容易進(jìn)行明確評估的電路，并且它可以給出這個技術(shù)所能達(dá)到的明確的性能上限。
在高工作速度下，功耗是特別重要的，此時單個門電路會有幾百毫瓦的功耗。雖然功耗隨著分頻器切換率的提高而迅速增長（例如，在87GHz時是23mW[41]），但CMOS 由于其出色的結(jié)果（輸入頻率范圍是90-100GHz[40]）而加入了競爭行列。所報道的好的功耗是采用InP HBT 技術(shù)，在150GHz 時為42mW/每個鎖存器[39]。 壓控振蕩器（VCO）是100Gb/s 串行應(yīng)答器以及下毫米波通信，高分辨率雷達(dá)和成像系統(tǒng)所必不可少的構(gòu)建模塊。這樣的振蕩器要求將低相位噪聲，高輸出功率和好的直流-到-射頻轉(zhuǎn)換效率相結(jié)合，特別是在高頻率下。這便轉(zhuǎn)換為許多重要的技術(shù)要求。 ? 為了獲得振蕩器好的近載波相位噪聲性能，重要的是使用具有低閃爍噪聲的技術(shù)。雙極技術(shù)，如SiGe 或InP HBT 通?？梢蕴峁┍戎T如HEMT或CMOS 這類FET 更低的1/f 拐角頻率，這要?dú)w功于表面狀態(tài)影響的減少。在觀察較大頻率偏離處的相位噪聲時（例如，距離載波1MHz-見圖4），毫米波CMOS 振蕩器所展示的相位噪聲與它們所對應(yīng)的SiGe 和InP HBT 器件的相接近。這個比較并未將調(diào)諧范圍的影響考慮在內(nèi)，而且還會受到曲解，即如文獻(xiàn)[45]中所提到的，在沒有輸出緩沖時，振蕩器毫米波頻率相位噪聲會更好一些。 圖4、所報道的采用不同技術(shù)所實(shí)施的毫米波振蕩器相位噪聲概觀（在偏離載波1-MHz 處）。 100GHz 以上的效率高功率源推-推振蕩器 毫米波頻率的推-推振蕩器的潛力已經(jīng)得到了充分的展示。用不同的化合物半導(dǎo)體技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的推-推振蕩器已經(jīng)在文獻(xiàn)中有所報道：在[47]中報道了直到140GHz 的0.13μmGaAs PHEMT 振蕩器，和在[48]中所報道的可以直到278GHz 的SiGe HBT 振蕩器。即使是采用CMOS 技術(shù)也成功地實(shí)現(xiàn)了100GHz以上的信號源：人們已經(jīng)報道了一個采用130-nmCMOS 技術(shù)的192GHz 推-推振蕩器[49]。采用45-nm CMOS 技術(shù)構(gòu)建了一臺工作在410GHz 的信號源[50]。然而，即使是采用推-推拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于硅基高速技術(shù)降低了的擊穿電壓以及納米級CMOS 需要在低偏置電壓下工作，在100GHz 以上可以觀察到CMOS 推-推振蕩器明顯降低了的輸出功率。例如，410-GHzCMOS 信號源具有20nW的輸出功率，這可能不足以用在發(fā)射機(jī)應(yīng)用中或驅(qū)動接收機(jī)的混頻器中。正如在下列段落中所說明的，具有如此高功率的推-推振蕩器的理想選擇是InP 雙-異質(zhì)結(jié)HBT（D-HBT）技術(shù)，它將高的fmax 和高的擊穿電壓結(jié)合在一起。 這些振蕩器是基于一種平衡Colpitts 振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的。通過將相位相反的輸出進(jìn)行合成，并且使用短路截線（short stub）通過電抗部分在二階諧波頻率上來調(diào)節(jié)振蕩器輸出阻抗使其產(chǎn)生一個很強(qiáng)的二階諧波信號[52]，如圖5 所示。人們已經(jīng)采用這個技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不同的諧振器。圖5 展示一個287GHz 的電路布局圖。傳輸線諧振器LE，LB 和LC 是在7-μm 低-K 層間介電材料（εr=2.6）之上采用一個2-μm 厚的金板接地面通過薄膜微帶線來實(shí)現(xiàn)的。 圖5、一臺InP D-HBT 推-推振蕩器的（a）電路圖和（b）電路布局圖[52]。
這些振蕩器的輸出功率與振蕩頻率的關(guān)系展示在圖7 中，并且將其與不同的半導(dǎo)體技術(shù)所制作的振蕩器進(jìn)行了比較。多虧了InP D-HBT 的高擊穿電壓，以及可以將輸出功率改善5dB 的二階諧波調(diào)諧技術(shù)，截止目前為止，InP D-HBT 推-推振蕩器可以在該頻段范圍內(nèi)具有比所報道的其它晶體管信號源更高的輸出功率和效率。 圖7、所報道的采用不同技術(shù)所實(shí)施的振蕩器的輸出功率和工作頻率的概觀。采用基頻和推-推振蕩器的結(jié)果分別用空心和實(shí)心符號來表示。 若干種半導(dǎo)體材料和技術(shù)都適合用來解決100GHz 和100-Gb/s 的應(yīng)用問題。這些技術(shù)有時候會相互競爭，正如我們所預(yù)期的，這是一個新的應(yīng)用領(lǐng)域，人們?nèi)匀辉趯@些技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行著討論。本文旨在說明隨著頻率性能的不斷提高，這些演進(jìn)技術(shù)的多樣性和其潛在的影響。盡管長期以來，器件性能的改善僅僅依賴于光刻技術(shù)進(jìn)步所允許的尺寸的減小，然而異質(zhì)結(jié)構(gòu)和應(yīng)力工程技術(shù)現(xiàn)在已成為強(qiáng)有力的手段，通過它們可以增強(qiáng)速度和功率性能，使之達(dá)到能夠打開100-GHz 和100-Gb/s 應(yīng)用領(lǐng)域之門的水平。 原文刊登于IEEE microwave magazine 來源：微波射頻網(wǎng)
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