現今，矽鍺（silicon germanium；SiGe） 技術已經從一種富有潛力的技術，發展成為目前和新一代行動設備的先進解決方案，廣泛應用於手機、無線區域網（WLAN）和藍芽等產品。自上世紀 80 年代問世以來，SiGe 一直是那些追求低成本，並要求性能高於普通矽元件的高頻應用開發人員最感興趣的一種半導體材料。在無線通訊應用中，這種技術已被廣泛接受，用於下變頻器、低雜訊放大器（low-noise amplifier；LNA）、前置放大器（preamplifier）和 WLAN 功率放大器（power amplifier；PA）。
現在，SiGe 技術已經應用於高功率放大器產品，如CDMA和GSM手機。由於這種半導體可以整合更多電路，它將在未來功率放大器與無線射頻（RF）電路的整合方面發揮重要作用。
SiGe技術的優勢
降低手機設計成本的兩大主要因素是提高整合度，以及使用如SiGe等易於整合的低成本技術。
SiGe 技術具備種種極具吸引力的優點。作為矽材料中的小兄弟，SiGe既擁有矽製程的整合度、良率和成本優勢，又具備III、V族半導體，如砷化鎵（GaAs）和璘化銦（InP）在速度方面的優點。只要增加金屬和介質疊層來降低寄生電容和電感，就可以採用SiGe半導體技術整合高品質被動元件。此外，透過控制鍺摻雜還可設計元件隨溫度的行為變化。SiGe BiCMOS 製程技術幾乎與矽半導體超大型積體電路（VLSI）產業中的所有新技術相容，包括 SOI 技術和溝道隔離技術 [1]。
實驗證明，SiGe 元件的工作頻率可高達 350 GHz[2]；而普通矽晶片的工作頻率只能達到幾個 GHz，而且其電子遷移率為普通矽半導體的二到四倍[3]。此外，SiGe元件還在雜訊、功效、散熱性能方面優於III、V族雙極電晶體。事實上，SiGe晶片的熱傳導效率是GaAs的三倍。
SiGe 的優點使其能在 WLAN、有線電視電話和光通訊應用中實現低成本、高效能產品。隨著擊穿電壓和高效能無源元件整合領域的技術發展，SiGe 正逐漸佔據傳統 GaAs的地位，即手機功率放大器應用的領域。
擊穿電壓
手機功率放大器必須能在高壓下應對10：1的電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio；VSWR），並能發送+28dBm（用於CDMA手機）到+35dBm（用於GSM手機）的信號。由於 GaAs 半導體具有較高的擊穿電壓，因此傳統的功率放大器一直採用 GaAs 技術。然而 GaAs 這一優勢的吸引力很有限，因為這種製程的成本高，又難以與其他無線電路相整合。這種缺陷在需要多個功率放大器的多模手機上尤其明顯；而且由於還沒有低成本的矽半導體製程可以實現這類整合，手機的材料成本將會增加。
為了確保高功率下的可靠性， SiGe 技術的 +5.5VDC 擊穿電壓必須獲得改善。採用SiGe製程的設計人員為此開發出專有的電路、製程技術和電晶體。利用這些開發成果就可以生產出高功率的功率放大器，其擊穿電壓能夠在整個工作迴圈中，以及在滿功率和 +5V（用於CDMA手機）或+4.5V（用於GSM手機）電源電壓下，可靠地應對10：1電壓駐波比，如(圖二)所示。
低擊穿電壓和隨之引起的可靠性問題是 RF CMOS無法實現體積小、成本低和功效高射頻功率放大器的原因所在，如 (表一)所示。例如，為了提高工作效率，RF CMOS 晶片必須大幅提高電流強度，因此需要更大的電晶體，這意味著晶片的尺寸會變大。此外，電晶體增大後會使元件的功效降低。這些因素使 RF CMOS 技術在手機的高效功率放大器領域上很不稱職。
表一 由 SiGe BiCMOS、RF CMOS 和 InGaP/GaAs 實現的手機前端系統的比較|
參數 |
SiGe BiCMOS Low-V/High-V |
0.25μm RF CMOS |
InGaP/GaAs HBT |
晶圓尺寸 |
8” |
8” |
4-6” |
FT (GHz) |
80/32 |
35 |
46 |
Fmax (GHz) |
80/55 |
50 |
67 |
Vbe/Vth |
0.8 |
0.5 |
1.3 |
BVceo/BVds |
>2.5/>6.5 |
<2.5 |
>10 |
BVcbo |
>8/>15 |
不適用 |
>15 |
Current Density (mA/μm2) |
3/0.6 |
0.25 |
0.5 |
PNPs |
有 |
有 |
沒有 |
FETs (￡0.25μm) |
有 |
有 |
沒有 |
造成環境問題？ |
不會 |
不會 |
會 |
整合被動元件
過去，SiGe元件中被動元件的性能低於 GaAs 中的被動元件，尤其是在無線收發設計中扮演關鍵角色的電感。新的SiGe半導體製程採用較厚的銅和鋁頂層來實現高效能被動元件的整合。由於SiGe元件具有最多五個互連層，因此被動元件可以堆疊在晶片上，並在疊層頂部加入高品質（即高Q值）的電感，而最終元件將在製程技術上勝過III、V族半導體材料製造的產品。
手機應用
由於技術的進步，SiGe現已具有較高的擊穿電壓，足以達到GSM-EDGE/CDMA以及最新WLAN（包括802.11g標準的WLAN）應用所要求的功率放大器效率和線性指標。
因此，在設計電池供電設備時，設計人員可以充分利用SiGe技術在成本、整合度、雜訊和高頻特性方面的特性。而且，在數位電路需要與類比電路介面時，可採用SiGe BiCMOS技術，因為其電壓餘量和雜訊性能均符合要求（RF CMOS中的電壓會逐漸遞減，這將會減弱數位電路與具有高動態電壓範圍的類比輸入介面能力）。
與用於手機功率放大器的III、V族半導體相比，SiGe的主要優勢體現在成本上。SiGe的主流製程採用8 吋晶圓，並正在向12吋晶圓目標發展；但GaAs卻是使用4到6吋晶圓製造的，由於晶圓尺寸較小，在良率和製程成本方面較不利。
採用最新的沉積工具如批量超高真空化學氣相沉積系統（ultra-high vacuum chemical vapor deposition；UHVCVD），以及單晶圓工具，能夠在８吋晶圓上可靠地沉積出高質量的SiGe，因此可以使用矽元件設備或矽代工廠實現SiGe基層的外延生長。
採用SiGe的另一個主要優勢是高整合度，使用SiGe的設計人員可在功率放大器周圍整合更多的控制電路。這樣，其IC尺寸就比III、V族半導體元件更加節省板卡空間，因為後者需要功率放大器晶片再加一塊CMOS控制晶片，而SiGe卻能將這兩項功能整合到單晶片中，並具有整合更多無線功能的潛力。
功率放大器需要控制電路來實現RF輸出功率控制所需的一些調節功能、或直接控制功率放大器的開啟／關閉。同時，這個控制電路也被用於提高功率放大器的效率，使其具有較寬的射頻輸出功率範圍。例如，輸出功率的大小可根據手機距基地台的距離變化；而為了盡量延長通話時間，設計人員需要在整個功率範圍來優化功率放大器的性能，而不是僅就最大輸出功率進行優化。這些設計都可以透過整合控制電路來實現。
在不久將來，設計人員很可能需要將RF電路整合到CMOS電路或功率放大器晶片中。採用 SiGe技術，設計人員就可以將功率放大器和RF電路整合在一起，卻不會影響功率放大器的效率，因而不會縮短手機電池的壽命。這一點很重要，因為整合RF電路應該比將所有無線電路（包括功率放大器部分）都整合到CMOS電路中尺寸更小，而成本效益更高。
例如，為了延長手機的通話時間和實現更多功能，CMOS製程尺寸應當縮小到90nm以下，而且由於光罩成本太昂貴，因此也無法在CMOS中開發無線電路。採用SiGe技術卻是實現集功率放大器、控制電路和RF電路於一身的高性能、高整合度無線前端的方案。
其他應用
SiGe半導體製造和設計技術在手機應用領域的進展，也為包括WLAN和光通訊等其他通訊應用領域帶來好處。
在未來的產品中，WLAN的數位電路很可能被整合進通訊處理器中，這就產生了對獨立無線電路的需求。SiGe BiCMOS正是適合這一需求的高成本效益低功率方案。對於藍芽應用，可採用SiGe生產出噪音極低的低功率無線電路。在光通訊應用領域，採用SiGe可整合更多的控制電路和光網路介面電路；並將雜訊極低的放大器和所有控制電路放置到距離光收發元件很近的位置。
前景展望
SiGe BiCMOS現已發展成為相當成熟的無線技術，其擊穿電壓和整合能力可以滿足現今手機、WLAN和藍芽應用的功率放大器和無線電路要求。此外，它也是非常有前景的技術，能夠滿足一些可以預見的未來整合要求。（作者任職於SiGe Semiconductor）
＜參考資料：
[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.＞
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