现今，矽锗（silicon germanium；SiGe） 技术已经从一种富有潜力的技术，发展成为目前和新一代行动设备的先进解决方案，广泛应用于手机、无线区域网（WLAN）和蓝芽等产品。自上世纪 80 年代问世以来，SiGe 一直是那些追求低成本，并要求性能高于普通矽元件的高频应用开发人员最感兴趣的一种半导体材料。在无线通讯应用中，这种技术已被广泛接受，用于下变频器、低杂讯放大器（low-noise amplifier；LNA）、前置放大器（preamplifier）和 WLAN 功率放大器（power amplifier；PA）。

现在，SiGe 技术已经应用于高功率放大器产品，如CDMA和GSM手机。由于这种半导体可以整合更多电路，它将在未来功率放大器与无线射频（RF）电路的整合方面发挥重要作用。

SiGe技术的优势

降低手机设计成本的两大主要因素是提高整合度，以及使用如SiGe等易于整合的低成本技术。

SiGe 技术具备种种极具吸引力的优点。作为矽材料中的小兄弟，SiGe既拥有矽制程的整合度、良率和成本优势，又具备III、V族半导体，如砷化镓（GaAs）和璘化铟（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半导体技术整合高品质被动元件。此外，透过控制锗掺杂还可设计元件随温度的行为变化。SiGe BiCMOS 制程技术几乎与矽半导体超大型积体电路（VLSI）产业中的所有新技术相容，包括 SOI 技术和沟道隔离技术 [1]。

实验证明，SiGe 元件的工作频率可高达 350 GHz[2]；而普通矽晶片的工作频率只能达到几个 GHz，而且其电子迁移率为普通矽半导体的二到四倍[3]。此外，SiGe元件还在杂讯、功效、散热性能方面优于III、V族双极电晶体。事实上，SiGe晶片的热传导效率是GaAs的三倍。

SiGe 的优点使其能在 WLAN、有线电视电话和光通讯应用中实现低成本、高效能产品。随着击穿电压​​和高效能无源元件整合领域的技术发展，SiGe 正逐渐占据传统 GaAs的地位，即手机功率放大器应用的领域。

《图一 SiGe制程芯片》

击穿电压

手机功率放大器必须能在高压下应对10：1的电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio；VSWR），并能发送+28dBm（用于CDMA手机）到+35dBm（用于GSM手机）的信号。由于 GaAs 半导体具有较高的击穿电压，因此传统的功率放大器一直采用 GaAs 技术。然而 GaAs 这一优势的吸引力很有限，因为这种制程的成本高，又难以与其他无线电路相整合。这种缺陷在需要多个功率放大器的多模手机上尤其明显；而且由于还没有低成本的矽半导体制程可以实现这类整合，手机的材料成本将会增加。

为了确保高功率下的可靠性， SiGe 技术的 +5.5VDC 击穿电压必须获得改善。采用SiGe制程的设计人员为此开发出专有的电路、制程技术和电晶体。利用这些开发成果就可以生产出高功率的功率放大器，其击穿电压能够在整个工作回圈中，以及在满功率和+5V（用于CDMA手机）或+4.5V（用于GSM手机）电源电压下，可靠地应对10：1电压驻波比，如(图二)所示。

《图二 SiGe功率放大器在工作循环中电压驻波比表现曲线》

低击穿电压和随之引起的可靠性问题是 RF CMOS无法实现体积小、成本低和功效高射频功率放大器的原因所在，如 (表一)所示。例如，为了提高工作效率，RF CMOS 晶片必须大幅提高电流强度，因此需要更大的电晶体，这意味着晶片的尺寸会变大。此外，电晶体增大后会使元件的功效降低。这些因素使 RF CMOS 技术在手机的高效功率放大器领域上很不称职。

整合被动元件

过去，SiGe元件中被动元件的性能低于 GaAs 中的被动元件，尤其是在无线收发设计中扮演关键角色的电感。新的SiGe半导体制程采用较厚的铜和铝顶层来实现高效能被动元件的整合。由于SiGe元件具有最多五个互连层，因此被动元件可以堆叠在晶片上，并在叠层顶部加入高品质（即高Q值）的电感，而最终元件将在制程技术上胜过III、V族半导体材料制造的产品。

手机应用

由于技术的进步，SiGe现已具有较高的击穿电压，足以达到GSM-EDGE/CDMA以及最新WLAN（包括802.11g标准的WLAN）应用所要求的功率放大器效率和线性指标。

因此，在设计电池供电设备时，设计人员可以充分利用SiGe技术在成本、整合度、杂讯和高频特性方面的特性。而且，在数位电路需要与类比电路介面时，可采用SiGe BiCMOS技术，因为其电压余量和杂讯性能均符合要求（RF CMOS中的电压会逐渐递减，这将会减弱数位电路与具有高动态电压范围的类比输入介面能力）。

与用于手机功率放大器的III、V族半导体相比，SiGe的主要优势体现在成本上。 SiGe的主流制程采用8 吋晶圆，并正在向12吋晶圆目标发展；但GaAs却是使用4到6吋晶圆制造的，由于晶圆尺寸较小，在良率和制程成本方面较不利。

采用最新的沉积工具如批量超高真空化学气相沉积系统（ultra-high vacuum chemical vapor deposition；UHVCVD），以及单晶圆工具，能够在８吋晶圆上可靠地沉积出高质量的SiGe，因此可以使用矽元件设备或矽代工厂实现SiGe基层的外延生长。

采用SiGe的另一个主要优势是高整合度，使用SiGe的设计人员可在功率放大器周围整合更多的控制电路。这样，其IC尺寸就比III、V族半导体元件更加节省板卡空间，因为后者需要功率放大器晶片再加一块CMOS控制晶片，而SiGe却能将这两项功能整合到单晶片中，并具有整合更多无线功能的潜力。

功率放大器需要控制电路来实现RF输出功率控制所需的一些调节功能、或直接控制功率放大器的开启／关闭。同时，这个控制电路也被用于提高功率放大器的效率，使其具有较宽的射频输出功率范围。例如，输出功率的大小可根据手机距基地台的距离变化；而为了尽量延长通话时间，设计人员需要在整个功率范围来优化功率放大器的性能，而不是仅就最大输出功率进行优化。这些设计都可以透过整合控制电路来实现。

《图三 SiGe制程功率放大器》

在不久将来，设计人员很可能需要将RF电路整合到CMOS电路或功率放大器晶片中。采用 SiGe技术，设计人员就可以将功率放大器和RF电路整合在一起，却不会影响功率放大器的效率，因而不会缩短手机电池的寿命。这一点很重要，因为整合RF电路应该比将所有无线电路（包括功率放大器部分）都整合到CMOS电路中尺寸更小，而成本效益更高。

例如，为了延长手机的通话时间和实现更多功能，CMOS制程尺寸应当缩小到90nm以下，而且由于光罩成本太昂贵，因此也无法在CMOS中开发无线电路。采用SiGe技术却是实现集功率放大器、控制电路和RF电路于一身的高性能、高整合度无线前端的方案。

其他应用

SiGe半导体制造和设计技术在手机应用领域的进展，也为包括WLAN和光通讯等其他通讯应用领域带来好处。

在未来的产品中，WLAN的数位电路很可能被整合进通讯处理器中，这就产生了对独立无线电路的需求。 SiGe BiCMOS正是适合这一需求的高成本效益低功率方案。对于蓝芽应用，可采用SiGe生产出噪音极低的低功率无线电路。在光通讯应用领域，采用SiGe可整合更多的控制电路和光网路介面电路；并将杂讯极低的放大器和所有控制电路放置到距离光收发元件很近的位置。

前景展望

SiGe BiCMOS现已发展成为相当成熟的无线技术，其击穿电压和整合能力可以满足现今手机、WLAN和蓝芽应用的功率放大器和无线电路要求。此外，它也是非常有前景的技术，能够满足一些可以预见的未来整合要求。 （作者任职于SiGe Semiconductor）

＜参考资料：

[1]Browne, Jack. "SiGe Technology Makes Practical Advances," Microwaves & RF. October 1999.

[2]Johansson, Ted & Johan Pejnefors. "Modular Concept Overcomes SiGe Bipolar Process Problems." Compound Semiconductor. June 2003.

[3]Ouellette, Jennifer. "Silicon-Germanium Gives Semiconductors the Edge." The Industrial Physicist. June/July 2002.＞

延 伸 阅 读

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市场动态

SiGe半导体（SiGe Semiconductor）新发布的全球定位系统（GPS）方案SE8901能满足手机对性能、尺寸和电池寿命的要求，该产品采用创新结构，能让手机制造商支援价位低于5美元以下的新定位服务，与同类方案相比，可节省50%成本。相关介绍请见「 SiGe的手机定位方案节省50%成本」一文。 SiGe半导体公司(SiGe Semiconductor)宣布推出首款专为手机应用而最佳化的完全整合式无线区域网路(WLAN)射频(RF)前端模组。 RangeCharger前端模组共有两种型号，分别为SE2551A和SE2557A，均具备高性能、高整合度和低功耗的特性，可确保手机支援WLAN功能，而不会影响其外形尺寸、通话性能和电池寿命。你可在「 SiGe推出手机用WLAN射频前端模组」一文中得到进一步的介绍。 SiGe Semiconductor has announced plans to speed up the adoption of WiMAX technology. WiMAX is based on the Institute of Electrical and Electronics Engineers（IEEE）802.16 standard for wireless metropolitan-area networks（MANs）。在「 SiGe Semiconductor加入WiMAX论坛」一文为你做了相关的评析。