關(guān)于SiGe HBT 技術(shù)和應(yīng)用的未來分析和介紹

在前幾期的微信文章中，我們談到了歐盟項(xiàng)目DOTSEVEN，一個(gè)基于SiGe HBT工藝開發(fā)，技術(shù)以及應(yīng)用的工程項(xiàng)目，歷時(shí)4年多，其實(shí)在這個(gè)項(xiàng)目之前已經(jīng)完滿結(jié)題的DOTFIVE項(xiàng)目，以及圍繞著SiGe HBT 項(xiàng)目一點(diǎn)都不少，比如CT209-RF2THZ, TRANTO, UlTIMATE, DIFFERENT等, 而且項(xiàng)目的花費(fèi)有些在上億人民幣的規(guī)模。歐盟大力發(fā)展基于SiGe HBT技術(shù)和應(yīng)用十多年了，有其根本原因，在這篇文章中，簡(jiǎn)單談?wù)勛约旱目捶ā?/p>

SiGe HBT vs III-V &CMOS:

基于SiGe HBT 技術(shù)的應(yīng)用，比較多的在高速高頻的領(lǐng)域。在這里，不得不提及傳統(tǒng)上使用的III-V材料的器件，比如最新的技術(shù)InP HBT fT , fmax分別達(dá)到0.5， 1.1Thz (emitter 寬度130nm, 200nm), 相比DOTSEVEN項(xiàng)目中取得的器件性能， 是有優(yōu)勢(shì)的。同時(shí)，不斷崛起的先進(jìn)節(jié)點(diǎn)，比如28nm,14nm, 7nm等CMOS傳統(tǒng)工藝在器件性能上的突飛猛進(jìn)。

對(duì)于III-V族，主要問題在于集成這塊，不能和當(dāng)前的CMOS工藝兼容，節(jié)點(diǎn)的縮進(jìn)由于Surface recombination 的原因非常不給力，同時(shí)工藝不穩(wěn)，模型不準(zhǔn)導(dǎo)致良率偏低，使費(fèi)用大步提升。那么對(duì)于CMOS，在高頻和高速應(yīng)用碰到什么問題呢。 圖1顯示，通過先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)，CMOS器件可以達(dá)到非常高的性能。

然而，在實(shí)際的電路中，晶體管連接到其他晶體管，和器件連接一起的時(shí)候，或多或少附帶電容，電感和電阻負(fù)載。在圖2b中顯示，CMOS在實(shí)際電路中的性能比SiGeC HBT器件下降的幅度大很多。 HBT沒有表現(xiàn)出這種嚴(yán)重惡化的原因是它們具有較高的跨導(dǎo)gm和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)能力。換句話說，具有相同的gm和輸入電容比的器件具有同樣的fT，但擁有更高gm的器件將從根本上得到更高性能的電路。因?yàn)?，器件電容將只?huì)或多或少占總電容的一小部分而已。另外CMOS在高頻電路中的 1/f noise隨著節(jié)點(diǎn)的縮小，變得越來越嚴(yán)重，成為一個(gè)比較難以逾越的門檻。

我們用上述理念同時(shí)比較了市場(chǎng)上非常熱門的方向，比如CNFET，Nanowire, FinFET等, SiGe HBT相對(duì)來說是gm是最優(yōu)秀的。按照最新的TCAD仿真預(yù)測(cè)，SiGe HBT roadmap 目前的極限在ft 1THz, fmax 2 THz. 因此，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)能滿足高頻高速的應(yīng)用需求。

2. SiGe HBT 的應(yīng)用領(lǐng)域

太赫茲或亞毫米頻率范圍，大致定義為從300 GHz延伸到3太赫茲。從歐盟項(xiàng)目的開發(fā)來看，主要面對(duì)三個(gè)方向，高速傳輸，雷達(dá)，影像和傳感領(lǐng)域等。

在高速傳輸應(yīng)用這塊，相比CMOS工藝的電路，SiGe HBT的實(shí)際結(jié)果還是非常鼓舞人的，在下圖中紅色框中，都是基于SiGe HBT工藝實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，沒有打框的基于CMOS工藝。

在雷達(dá)應(yīng)用這塊， 除了早已上市的77-78，79-81GHz雷達(dá)，主用于ADAS。同時(shí)94GHz雷達(dá)應(yīng)用也已成熟，用于惡劣天氣，機(jī)場(chǎng)地面監(jiān)測(cè)等。 同時(shí)最新開發(fā)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)的頻率已經(jīng)達(dá)到240GHz, 60GHz帶寬，2.57毫米的分辨率。

在映像和傳感這塊， 目前已經(jīng)在醫(yī)療的THz -CT 應(yīng)用方向獲得突破，工作在490GHz, 60dB ， 具有3D 映像功能。在雷達(dá)材料探傷這塊，也已經(jīng)有實(shí)際的設(shè)備和產(chǎn)品上市。

總的來說，基于SiGe HBT的應(yīng)用從歐盟項(xiàng)目十幾年的發(fā)展和規(guī)劃來看，非常值得國(guó)內(nèi)借鑒，也能解決當(dāng)前國(guó)內(nèi)某些半導(dǎo)體技術(shù)方面的壁壘。SiGe HBT的工藝，對(duì)CMOS要求并不高，主要取決于HBT器件，相對(duì)于其他工藝，國(guó)內(nèi)距離并不是很遠(yuǎn)，也是可能容易趕上的，希望此篇文章對(duì)將來國(guó)內(nèi)SiGe HBT產(chǎn)業(yè)發(fā)展有參考作用。