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集成光电子学进展Progress in Integrated Optoelectronics第13号主办单位 集成光电子学国家联合重点实验室2003年6月顾问委员会 (按姓氏笔划排序)王启明 陈良惠 张以谟 张克潜周炳琨 高鼎三 梁春广 简水生编辑编委会 (按姓氏笔划排序)主 任：罗 毅副主任：黄永箴委 员：王玉堂 刘式墉 任晓敏 余金中 杜国同 杨 辉 林世鸣 范希武 董孝义责任主编： 王 莉集成光电子学进展通信处： 北京912信箱图书信息中心邮编：100083 电话：82304315E-mail: lwang目录高技术工艺设计罗兰园（二）半导体电子器件SiGe HBT及高速电路的发展无源器件光调制和光开关 (20)微光开关研究与发展现状 (25)有源器件及材料光通信用可调谐激光器研究进展 (31)GaN基半导体材料研究进展 (39)高技术市场我国光通信市场前景（44）世界光通信市场 (45)光无源器件市场现状 (47)高技术短讯在室温下工作的中红外垂直腔表面发射激光器 (49)低发散度的自配套二极管激光器 (50)晶体波导光学延迟线 (50)用光子晶体设计高Q显示 (50)抽运光纤产生高功率宽带光 (51)将光学和时尚结合 (51)用光学编码硅晶粉末探测生物制剂和化学制剂 (51)负折射之争 (51) 敬告读者（停刊通知） 本期刊自2001年6月至今（2003年6月）走过了三个年头，共发刊13期，共约八十万字，跟踪了多项世界高科技前沿热点论题，得到广大读者好评。这期间得到了广大学者、科研工作者和读者们的大力支持和帮助，特别是受到中科院半导体所王启明院士和集成光电子学国家联合重点实验室罗毅、黄永箴等老师们的具体指导和帮助。 在本期刊即将停刊之际，仅向曾经指导、支持和帮助过本刊的科学工作者和热情读者们致以衷心谢意。集成光电子学进展编委会 二三年五月高技术工艺设计罗兰园（二）杨沁清 胡雄伟（中国科学院 半导体研究所） （该文接上期（第12号）第30页）从广义光栅到罗兰园 上一期我们报道了“罗兰园（一）”的文章，主要从数学的角度证明罗兰园的原理。这里我们从广义光栅以及数学的角度来证明罗兰园的原理。一个平面光栅能把含有各种不同波长的入射光束分离成像在空间不同位置的不同谱级的光谱，除0级光谱外，高于0级的不同波长的谱线能被分开，并依序排列在0级谱线的两侧。这就是光栅的色散作用，这种成像无需任何透镜元件或其它光学元件。对于光栅我们所要的功能是它的能把不同波长的光分开投射到不同空间位置上并显示出锐峰功能。这一功能是靠光栅的多波干涉因子实现的。我们可以把这种多波干涉因子加以推广，提出一个广义光栅概念，也就是说提出一个广义光栅效应的概念。图1 广义光栅结构示意图 图2 罗兰园的结构示意图 如图1所示，假定空间有一系列的点G1，G2，G3，GN,如果它们对空间矛一对点Q，P，能满足下列条件：QGjP-QGj+iP=常数=2m（1）（1）式所表达的物理意义是：若Q是一个入射狭缝，P是一个接受光谱的面上某一个点，那么QGj为入射狭缝到G上的第j个点的光程，GjP是第j个点到P点的光程，从这相邻两个点发出的两个子波的相位差为：=2/（QGjP-QGj+1P）=常数=2m（2）（2）式表式相邻两个空间点发出的子波之间的相位差等于一个常数（m为整数），与空间点Gj的位置无关。我们就定义这一系列点G1、G2、Gj、Gj+1、GN为广义光栅，（2）式就是广义光栅方程。 正如前面所述，罗兰（H.A.Rowland)于1882年用普通的刻光栅的机器把光栅刻制在凹形球面反射镜上。一般称这种光栅为罗兰光栅或罗兰园（Rowland circle）。它既有平面光栅的色散功能又有凹面镜的聚焦成像功能。图2给出了罗兰园的简单示意图。AB是球面上的一段圆孤。点C是圆弧的曲率中心，AB的曲率半径为R1=CD，以CD/2=R为半径，以点O为圆心作一个园K与光栅AB相切于D点。如果在园K上的S点处是一个狭缝，从S处出射一束光投射到光栅AB上，这束光被光栅衍射，衍射光束能成像在同一园K的另一个点P上。如果在点P处安置一个相机或照相底片，这一底片就能记录到衍射光谱线。园K被称为罗兰园，AB被称为罗兰光栅。 罗兰园就是以凹面光栅AB的曲率半径CD（R1）为直径的且与AB相切的一个园。可以用广义光栅来证明罗兰园满足光栅方程。 下面从广义光栅和几何学的角度来推导罗兰园的光栅效应。前面我们已经给出了广义光栅的定义，即（2）式QGjP-QGj+1P=常数（2） 实际上，罗兰把凹面光栅刻划在一个半径为R的球面上，球面上的圆孤AB。刻栅时不是刻划成等间隔的栅隔，而是刻划栅隔在弦AB上的投影相等。如图3所示。图3 罗兰园栅隔弦结构图 图4 罗兰园光栅计算示意图 假定空间有任意一对点Q和P，现在来推导看PQ在什么条件下才能满足式（2）的条件。证明和推导参看图4。 通过弧AB的中点O作一条与弧AB相切的线切线，把它定为坐标轴Y轴，通过O点和球心C连一条直线，把它定为X轴。那么弧AB的方程为：（x-R)2+y2=R2（3）并有 x2+y2-2xy=0（4）取弧AB上任意一个点D，设QO=1 OP=2，QOC=1，COP=2（5）令 QD=r1 DP=r2（6）假定Q是一个狭缝，由它发出的一束光经D点到P点的光程可表达为 QDP=r1+r2 （7）而Q，P点的坐标点分别为Q：1cos(1)；1Sin(2）（8） P：2Cos(2)；2Sin(2）（8）因为点D是在弧AB上，它的坐标为D：；（9）光程QDP为QDP=r1+r2=+R>>y时，上式可进行泰勒展开取至y2，略去高阶小量项得到：=R-y2/2R-y3/8R3- r1+r2= 将根号内的平方项展开并略去y3及以上的各高次项得到 r1+r2=对上式的根号进行泰勒展开并略去y3及更高次项可得到r1+r2=+(11)因为弧AB（图4）上相邻的两个点Gj，Gj+1的y坐标之差为一个常数，所以对光栅效应的公式（2）相当于要求式（11）对y求微商且应为常数。即d(QDP)/dy=d(r1+r2)/dy=K（常数）那么就有 d2(r1+r2)/dy2=0（12）将式（11）代入式（12）就可得到下式(13)因为有1-Sin2()=Cos2(),再经过若干个推导步骤，可以将上式化为 （14）这就是Q，P坐标点1，1，2，2参数所应满足的普遍方程。它有好几个特解，下式就是其中的一个。图5 罗兰园摄谱仪结构之一 图6 AWG器件的功能结构图1=RCos(1) 2=RCos(2)（15）这时式（15）表明QP两个点都在以OC为直径的园上。 图5是罗兰光栅的实验结构图之一。其中G是光栅，Q是一个狭缝，C是凹面光栅的曲率中心，在P上安置感光胶片，胶片紧贴在园上。胶片可以记录到由罗兰光栅衍射的谱线。在罗兰园（一）中我们曾经提到，是Louis S.Lome首先于1996年1月将罗兰园用于AWG器件设计的，利用了它的色散和聚焦功能。图6给出了AWG的功能结构图。从该图中可以看到，在AWG中它含有两个平板波导，这个平板波导就是按照罗兰园原理设计的。还有一个是阵列波导。AWG的总体结构如图6（a）所示。平板波导起到镜头的聚焦作用。而阵列波导起到色散的作用。AWG器件的输入输出波导的端口和阵列波导的端口都分别排列在该罗兰园的圆周上。他们的综合作用如图6（b）所示。参考文献：（略）更正：“罗兰园（一）”一文中式（f-2)有误，该式应为：Cos()+Cos()=0 (f-2) 敬请读者见谅。半导体电子器件SiGe HBT及高速电路的发展*姚 飞 成步文（中国科学院半导体研究所集成光电子国家重点实验室 北京 100083）摘 要 SiGe异质结双极晶体管（SiGe HBT）被广泛地用于无线通信和光纤通信领域。本文详细讨论了SiGe HBT的直流交流特性、噪声特性、SiGe HBT的结构、制作工艺、与工艺相关的寄生效应、SOI衬底上的SiGe HBT等。以及它在高速电路中的应用，包括低噪声放大器（LNA）、功率放大器（PA）、电压控制振荡器(VCO)等，以及涉及到的无源器件。关键词 SiGe；HBT；LNA；PA；无源器件；射频一 引 言早在19世纪50年代中期, H.Kroemer就提出采用宽禁带材料作发射区的HBT技术能大幅提高晶体管的频率性能1。1986年前后,IBM的Bernard S.Meyerson等人发明了UHV/CVD技术用以制造高性能的SiGe异质结器件2。1987年,IBM的S.S.Iyer制造了第一只有器件性能的SiGe HBT3。此后SiGe技术异军突起，发展迅速。而今，IBM正在致力于发展350GHz以上的SiGe HBT单管4。由于SiGe器件具有异质结结构和工艺上与Si器件相容的特点,它不仅具有异质结结构的“高性能”,而且具有Si基器件的“低成本”。如今SiGe技术以其优异的性能正以无与伦比的力量推动着无线(第三代移动通信)和有线(SONET/SDH/千兆以太网)通信系统飞速发展。二 SiGe HBT及其主要特性。 SiGe HBT中以SiGe材料作基区，由于Ge在Si中的引入，使基区禁带宽度变小，能带结构发生了改变（图1）。由于这种改变，SiGe HBT呈现出许多优于Si同质结双极晶体管的重要特性，而它又具有GaAs不可比拟的价格上的优势，所以SiGe HBT在无线通信和光纤通信中得到广泛的应用。基区SiGe中Ge含量的分布可以有均匀、三角、梯形等形态。前两者*863项目（No.2002AA312010）和973项目（No.TG2000036603)资助姚飞，女，博士研究生，主要研究方向为SiGe HBT在高频电路中的应用及其与Si基探测器的集成。成步文，男，副研究员，主要研究方向为SiGe HBT在高频电路中的应用及其与Si基探测器的集成是后者的特例，下面主要讨论的是基区梯形Ge含量分布的SiGe HBT。图1 Si/SiGe异质结能带图 图2 Hawkin等效噪声模型2.1 SiGe HBT的直流特性 直流增益和厄利电压VA是HBT直流特性的重要参数。他们都与SiGe HBT基区Ge含量有关。对于RF和微波应用，它们的乘积也是一个重要指标。VA值越大，输出电流对偏置电压的波动越不敏感，输出越稳定。具有相同掺杂和结构的SiGe HBT与Si BJT相比较，它们的值、VA值和VA值之比由（1）、（2）（3）式表示： （1） （2） (3)其中， Eg,Ge(grade)=Eg,Ge(xw)-Eg,Ge(x0)=(NcNv)SiGe/(NcNv)Si1=SiGe/Si1xo和xw分别表示基区与发射区和收集区之边界位置，Eg,Ge表示在Si中引入Ge形成的SiGe合金的带隙与Si带隙之差，Eg,Ge(grade)表示基区中Ge含量为渐变分布时，基区两界面处Eg,Ge之差，表示SiGe和Si器件的态密度之比，而则表示二者的迁移率之比。当xo处的Ge含量为有限值（非零但很小）时，（1）式可简化成：SiGe/Si|VBEexpEg,Ge(x0)/kT（4）电流增益随EB（发射区基区）界面Ge引起的带隙收缩而指数增大。由式（1）、（2）、（3）、（4）可以看出，、VA和它们的乘积VA都和Eg有关，且随Eg地增大而显著提高，它表明SiGe HBT与Si BJT相比，直流特性有明显改善。2.2 SiGe HBT的交流特性 SiGe HBT的交流频率主要由两个参数表征：交流截止频率fT和最大振荡频率fmax。交流截止频率（或电流增益截止频率）fT，定义为电流增益为1时的频率；最大振荡频率fmax，则定义为功率增益为1时的频率。 交流截止频率 交流截止频率表示为：fT=（5）为传输时间，b、e和c分别表示载流子在基区、发射区和收集区的传输时间，eb、cb分别表示载流子在E-B结耗尽区和C-B结耗尽区的渡越时间。一般的HBT中，fT由基区渡越时间b和发射区渡越时间c决定。下面的公式表明这两个渡越时间都因为Ge的掺入而减小，所以fT得到很大的提高。 （6） （7） 最大振荡频率fmax：最大振荡频率fmax表达式如下：fmax= (8)其中，Rb为基区电阻，Ccb为收集极-基极电容。通过模拟表明：Ge的存在减小了基区电阻。当基区掺杂浓度高时，Ge含量越高基区电阻越小。电阻的减小是空穴迁移率提高的结果。相比而言，同质结BJT为保证电流增益，NE/NB必须很大（NE、NB分别为E区和B区掺杂浓度），则基区掺杂较小，Rb较大，fmax必然较小，电流增益和fmax是相互制约的，在SiGe/Si HBT中，SiGe基区可以进行高掺杂，同时保证合适的电流增益，因而Rb很小，fmax较大。2.3 SiGe HBT的噪声特性 Jain进行了SiGe HBT噪声特性的早期研究5。最近Ansley等用了详尽的计算模拟来研究不同设计参数对SiGe HBT噪声特性的影响6。模拟中用到了Hawkin模型7。Hawkin模型的结构示意图见图2。图中有四个主要的噪声源：源电阻的热噪声vs、基区电阻的热噪声vb、发射极的散粒噪声ve以及收集极的隔离噪声Icp。图2所用的符号都表示它们通常的意义。R表示电阻，下标s、b、e和c分别表示源、基极、发射极和收集极。Re为发射极的动态电阻，Ceb是EB耗尽区电容，等于eb/Re，0是共基极直流电流增益，|是共基极小信号交流增益的绝对值,f是测量噪声的频率。噪声因子完整的表达式很长很复杂。若只计算主要项，F近似表示如下8：（9）最小噪声系数Nfmin为10log（F）,Rs和Xs的优化值由下式表示： (10) (11) (12)从以上表达式中可以看出基区掺Ge的优越性：Ge的引入减小了基区电阻Rb和基区渡越时间b，因而减小了Nfmin。电流增益在SiGe HBT中可以单独控制。提高（a共基极小型号交流增益）同样可以减小Nfmin。而Si BJT的基区掺杂不可能很高，严重影响了Rb和b，使得其噪声特性较差。三 SiGe HBT的结构及制作工艺 3.1 两种代表性的HBT结构 图3两种典型的SiGe HBT结构 左：Temic/Daimler Benz(original) 右：IBM图4双台面SiGe HBT的工艺流程：（a）光刻发射极台面;（b）自对准基区接触;（c）收集极台面和收集极接触;（d）晶体管的隔离 SiGe HBT主要有两种设计方案，一种是德国的Daimler-Benz/TEMIC(称为DBAG)设计9,10，11，另一种是IBM设计12,如图3所示。 Daimler-Benz/Temic设计方案 该方案又称为DBAG方案。该方案的主要特点在于SiGe基区很薄，Ge组分高、基区高掺杂。由于基区很薄，电子在基区中渡越时间很短，可以实现高的fT的值；高Ge组分基区及重掺杂引起的带隙收缩使得器件在发射区浓度远低于基区掺杂浓度时仍可获得高的电流增益；小的基区电阻和小的收集极/基极电容是获得fmax的必要条件，设计中由于基区重掺杂，所以基区本征电阻很小，基区接触电阻占主导地位，PtAu或CrPtAu合金作接触可改善基区接触电阻，很容易获得极小的基区电阻，所以fmax得到提高；另外由于基区电阻小，DBAG HBT的噪声特性很好。 IBM设计方案 IBM设计方案中基区Ge含量较低，基区较宽，基区掺杂也较低，该方案最大的特点是基区Ge含量采用渐变的形式。渐变的Ge组分的形式在基区形成一个漂移场，减小了基区渡越时间，改善了fT特性；基区掺杂浓度较低，通过选用大的NE/NB的比值可以提高；同时，IBM设计方案也获得了较好的基区电阻和寄生效应，从而得到较高的fmax和很低的噪声。 可以看出，Temic方案设计的SiGe HBT和GaAs HBT结构类似，是一种真正意义上的异质结晶体管，IBM设计则延续了多晶硅同质结晶体管的结构，是一种“赝”异质结结构。在实际的设计中，我们倾向于均匀Ge组分的高掺杂的Temic设计。3.2 SiGe HBT的制作工艺 SiGe 异质结双极技术的关键是外延。目前主要的制备SiGe HBT的工艺有四种：（1）双台面工艺13，14（包括非钝化的双台面工艺（NPD）和钝化的双台面工艺（NP）；（2）差分HBT工艺1517；（3）选择外延工艺和1820；（4）选择与非选择外延结合的工艺21。 台面工艺 非钝化的双台面(NPD-台面)工艺和钝化的双台面工艺由DBAG/TEMIC小组发展。我们先讨论NPD台面工艺，该工艺非常简单。NPD台面工艺流程如图4所示。在埋层形成之后，生长各层，然后光刻发射极，接触用Pt/Au合金（20/300nm）。以发射极金属作掩膜自对准地制作基区接触，然后刻出收集极台面和制作收集极接触。晶体管电极间的隔离用气桥来实现。该工艺可以在原片上直接测量晶体管的特性。非钝化的台面的表面不是很理想的。尽管如此，因为基区电阻和基区/收集区电容极小，该结构获得了160GHz的fmax。显然这种工艺不适用于大规模生产，但它很适合作实验研究。图5 差分外延工艺的剖面图 图6 差分外延工艺与多晶硅发射极相结合 差分HBT工艺 差分外延工艺的具体过程如图5所示。差分外延是在浅刻蚀或LOCOS氧化隔离区域完成后，在n型Si收集区上生长单晶SiGe，场氧上生长多晶SiGe。差分外延基区可以和通常的多晶硅发射区基结合（如图6），这样它就具有和现存的Si BiCMOS工艺兼容的特点。多晶硅发射区又可以作为自对准外基区注入的掩模，如图6所示。离子注入可使外基区的多晶硅为p型，这样基区接触可以制成p+多晶硅层。外基区注入同时渗透到SiGe基区和Si帽层，导致后面退火过程中的瞬态增强扩散。多晶硅发射区是在离子注入或原位掺杂的n+多晶硅层上扩散砷形成的，典型温度为1000°C。发射区/基区结附近的Ge含量由掺As和Ge的形状来决定。最近的研究表明用该方法所得的fT和fmax大约为90GHz22。图7 选择外延 图8 选择和非选择外延相结合的工艺制备SiGe HBT 选择外延工艺 该技术中，在外延基区之前在发射区窗口中形成一个p+多晶硅外基区悬臂，如图7所示。先生长一层氧化层、一层p+掺杂的多晶硅层、一层氮化物淀积层。然后用各向异性干法刻蚀刻出发射区窗口（在氮化物和p+多晶硅层），接着生长Si3N4侧墙，最后通过湿法刻蚀氧化层等方法完成p+多晶硅外基区悬臂。SiGe基区通过选择外延生长，在裸露的收集区上生长出SiGe单晶基区，在悬臂p+多晶硅下生长SiGe多晶，形成一个嫁接基区，当嫁接基区和选择SiGe基区接触后，生长停止。然后在发射区窗口选择生长Si帽层。该过程的特点是，外基区在外延之前形成，这样就不需要对SiGe外延层进行注入，避免了瞬态增强扩散。 选择与非选择外延相结合的工艺 近期的工作表明Si收集极和SiGe基区外延步骤可以合并成一步如图8所示。选择Si收集极在场氧的有源区窗口开过以后生长，在生长SiGe基区和Si帽层时生长条件变成非选择性的。这种方法有三大优点。首先，收集区、基区和发射区在同一步外延步骤生长，取消了单独的收集结外延步骤。第二，生长界面被深深的埋在收集结远离了晶体管的耗尽区。这样任何杂质，例如氧和炭，在生长界面对晶体管的特性影响很小。第三，它不需要LOCOS和刻蚀隔离23。早期的SiGe HBT是用简单的台面工艺制备。这些台面工艺表明异质结的引入能提高增益，同时可获得160GHz的最大震荡频率。后来的研究集中于平面工艺的探索。目前主要采用差分或选择和非选择相结合的双多晶硅自对准工艺，和现有的Si BiCMOS具有较好的兼容性。我们认为，相比其他工艺方法而言，双台面工艺过程最为简单、热耗最低、可行性最大，所以我们采取此工艺来制备SiGe HBT。在刻出发射区台面以后，利用自对准技术对外基区进行掺杂和制备基区接触，然后刻出收集区台面和制作收集区接触，最后利用气桥进行隔离。3.3 和工艺相关的寄生效应 寄生势垒效应 基区硼的外扩散会导致寄生势垒的产生。外扩散可能发生在热处理过程，也可能在没有控制好掺杂的情况下发生。从高掺杂的SiGe基区向Si发射区或收集区扩散少量的硼都可能在导带产生寄生势垒24，严重影响器件特性。发射结的寄生势垒减小了注入比，因而减小了增益，集电极的势垒引起电子在基区的积累，增加了基区电子的浓度，不仅减小了集电极电流Ic，增加了基极电流Ib，严重影响增益，还阻碍了载流子的输运，增加了基区渡越时间，使fT峰值降低。集电极寄生势垒见图9。集电极寄生势垒和外加偏压关系很大，并影响到厄利电压18。 图9 寄生势垒和偏置电压的关系 图10 SOI衬底上的SiGe HBT大注入效应 SiGe HBT中的大电流效应为Kirk效应。在大电流情况下由于速度饱和基区收集区耗尽区扩展到收集极，这时发生大电流注入效应。由于集电结界面的价带结构的作用，基区的空穴被阻挡不能进入集电区，空穴积累在集电极基区的一侧，它导致电子集聚在结的集电区的另一侧。这样在集电结上形成一正向电场，从而形成一个阻碍电子进入集电区的势垒25。基区存贮了过量电荷，和fT都下降。采用本征SiGe隔离层和渐变Ge组分的方法可以减小以上两种寄生效应。3.4 SOI衬底上的SiGe HBTSiGe LPCVD和原片键合技术的结合使绝缘体上的SiGe HBT技术成为可能。图10显示了SOI衬底上制备SiGe HBT的剖面图。原片有一层1m厚的氧化埋层，实际上有源区只有1.5m左右的厚度。隔离是通过刻蚀到氧化埋层的深刻蚀实现的。晶体管的收集极采用选择外延生长，接下来是生长p基区和n-Si发射帽层的非选择外延层。NEC已经报道了用于20Gb/s光纤接收芯片的1.5m原片间键合SOI衬底上的SiGe HBT，其fT为60GHz。用该工艺制备的复用器、乘法器已经可以稳定地工作于20Gb/s。Hitachi26最近报道了他们的SOI HBT工艺研制的HBT的fT为76GHz，fmax为180GHz。四 SiGe HBT在高频电路中的应用 具有于BiCMOS高度集成的特点使SiGe HBT在模拟和数字电路应用中格外引人瞩目。在高频电路中，SiGe器件得到广泛的应用。表126表示各高频电路的特点和技术要求。表1 基本射频电路的特性和技术要求电路主要特征技术指标低噪声放大器（LNA）低噪声,单极增益大,线性度大低的Nfmin，低的HBT Rb,高厄利电压,高的fT和fmax混频器（Mixer）大的线性范围,高的隔离度,小的载波泄漏高的厄利电压,高的fT和fmax,隔离技术（DT）,小的失配电压控制振荡器（VCO）低的相位噪声,远离载波,靠近载波,调谐范围大（freq/V）,低的增益浮动高Q值的无源器件,低的低频噪声的HBT,变容二极管的调谐范围大综合器低相位噪声,低参考激励,单位面积功耗和VCO同,FET的均匀性好,栅长小，低压操作，减小面积PA功率附近增益,单极增益,耐用不匹配度小,高效高增益的HBT,高击穿电压的HBT4.1 低噪声放大器（LNA） 低噪声放大器（LNA）在接收机中起着重要的作用。当输入信号很小时，它能够无附加噪声（低噪声）的放大，以达到所要求的信躁比；当输入信号很大时，LNA可以无失真地接受大信号。合适的LNA设计是当今通信电路的关键之一。LNA设计要求同时满足高增益、低噪声、输入输出匹配、无条件稳定、高线性度和高IP3。 为了比较SiGe HBT和其他射频器件的性能，定义了一个新的参数动态范围值（Dynamic Range Merit）27DRM以用于比较，将线性效率和噪声系数以及增益通过噪声测量联系起来：DRM（Gain×IIP3）/（NF1）×PDC） (13)噪声因子（NF）式噪声系数转换成dB的数值；三阶交调系数转换成mW表示的功率；增益表达成用噪声系数和交调系数表示的形式。单个的参数不能准确地对所有的RF电路进行优化权衡，DRM系数的目的就是将增益、功耗、噪声系数和失真联系起来形成一个参数以进行LNA应用的工艺比较。表2 不同器件的RF应用的性能比较DeviceGain(dB)Noise(dB)Pdc(mW)OIP3(dBm)Linearity EfficiencyDRMIBM SiGe141.627251226GaAs HBT12.31.629.1251124GaAs HJ-EFT170.8602810.552PHEMPT17.50.524031.5648Si BJT（High Ft）171.5141749Si BJT（High Ft）14230203.36Si BJT（High Ft）13.71.31015.73.711 表224概括了SiGe HBT器件和其他商用RF设计技术的比较。这些参数表明SiGe HBT器件完全可以满足RF电路的要求，并能用基于200mm原片的Si CMOS工艺制作，功耗低。需要强调的是，尽管SiGe HBT的DRM值不是最高的，但它在性能上具有强大的竞争力，且是能和BiCMOS工艺兼容的唯一选择。其他没有考虑的特性是1/f噪声和器件匹配，这些可以进一步提高SiGe HBT电路的性能。 图11是1.9GHz CDMA LNA电路28。这是一个典型的LNA，在输入和输出回路分别加上了旁路电容，它可以提高电路的线性度。所得指标如下：图11 1.9GHz CDMA LNA电路·Vsup3.3V;·Vce=2V; ·Ic=10.3mA; ·Gain=16.8dB; ·NF=1.9dB;·IIP3=+5dBm;·IRL=13dB;·ORL=11dB; ·Isolation=27dB4.2 SiGe功率放大器（PA） 在无线通信领域功率放大器一直是GaAs基器件（HEMT、MESFET和HBT）的天下。SiGe BiCMOS则带来了功率放大领域的革命。一类是高效无线功率放大器，通常峰值电压是供给电压的2到3倍，这就要求器件具有高的击穿电压。0.5m的SiGe BiCMOS工艺已经获得了BVCBO14.7V，BVCEO=5.5V的高击穿电压特性。全效率（overall efficiency）和功率增加效率（Poweradded efficiency）是衡量功率放大器的重要指标。它定义成：Prf,out/(Pdc+Prf,in) (14)PAE（Prf，outPrf，in）/PDC (15)这里，Pout为输出功率，Pin为输入功率，PDC为直流功率。目前研制的SiGe PA在效率最大时，640m2的功率器件可以在900MHz提供大于70的PAE，在2GHz时其值为63；这么高的效率能和其他最先进的功率放大器相媲美29，30。另一类是线性调制设计的PA（例如CDMA），它要求满足最大的线性度，因而会对放大效率产生约束。该类功率放大器最主要的指标是在满足相邻的通道功率比（Adjacent-Channel-Power-Ratio）条件下放大器所能获得的效率。ACPR定义为相邻通道的失真功率和在信号带宽内信号功率的比值24。即该类PA要求最小失真条件下的最大效率。在满足线性需求效率最大时，640m2 SiGe功率器件已获得44的PAE，而ACP46dBc，这可以和其他PA技术相当了。另外，既然SiGe HBT具有小的VCE，SAT（和GaAs相比），PA性能在VC2.7V甚至更低时仍能维持。640m2器件可以在饱和条件下仍能维持70的PAE，在ACP46dBc时PAE为44。这些结果表明SiGe可以满足饱和和线性的手机功率放大器所需的性能要求24。4.3 电压控制振荡器（VCO） VCO是电路设计的一个难点。表1给出了VCO的设计要求。理想的VCO应该是没有相位噪声，调谐范围大，对温度、输出负载变化和供给电压变化都不敏感。相关的相位噪声31为 1/4Q2（w/w0)2Pnoise/Pcarrier，其中Q是开环品质因数，w是频率偏移，w0是中心频率，Pnoise是每个噪声源的谱密度。该表达式指出：为提高相位噪声特性，要使用高Q值的振荡器，减少振荡路径上的有源器件和有损耗的无源器件，增大振荡器的扇出（Pcarrier）。电感的Q值的提高、变容二极管质量的改进和SiGe技术的引进使VCO性能得到改善。使用SiGe技术，VCO可以完全单片集成。IBM已经报道了工作在17.1GHz的VCO32，供给电压仅为3.3V，调谐范围600MHz，在偏离中心频率1MHz处的相位噪声仅为104dBc Hz1，输出功率5dBm，功耗仅为65mW。4.4 集成电路中的高Q值无源器件 无源器件通常包括电阻、电容、电感和变容二极管。它们是实现SOC SiGe BiCMOS集成的必要元件。 电阻 电阻的关键参数是容差、寄生电容、温度系数和电压系数。一般说来，电阻是由单晶硅或多晶硅材料制成。单晶硅电阻的寄生电容比多晶硅大因此应用较少。通过改变多晶硅淀积技术可以改变多晶硅晶体结构，因此可以改变电阻的阻值。精确控制多晶硅厚度、淀积过程、注入剂量和热处理过程可以减小电阻容差。方块电阻越低，阻值越容易控制。多晶硅电阻的容差通常大于15。现在在SiGe BiCMOS应用中发展了薄膜电阻，容差和寄生电容都得到减小。0.18m的SiGe BiCMOS TaN电阻的容差为10左右，其寄生电容比多晶硅电阻小4.5倍33。 电容 半导体工艺中电容主要有三种基本类型：(1）多晶硅栅衬底电容（MOS电容）；(2）多晶硅电介质多晶硅电容（poly-poly电容）；(3）金属绝缘体金属电容（MIM电容）。电容的主要指标是单位面积的容值、底板的寄生电容和Q值。三种电容的特性概括于表324。MOS电容单位面积电容值最大，而MIM电容的Q值最高，在2GHz可达7080。通过比较电压系数可知多晶多晶电容具有最大的线性VC关系，但MIM电容的Vcc更接近0。电容的Q值可以用下式表示：Q=energy stored/energy dissipated1/jCRs（16）可见Q值和串联电阻成反比。所以要提高MOS电容的Q值就必须减小串联电阻。这在HBT工艺中可以用穿透注入来实现。表3 不同电容参数的比较ParameterMOSPOLYMIM单位面积容值(fF/m2)3.11.70.7容差 %151515TCC(ppm/)4040-22Vcc(ppm/V) +-66602918-40Vcc(ppm/V) -3330399237最大电压(V)3.6552GHz时的Q值20-70-80电感 电感的三个关键参数是Q值、电感值和所占面积。电感所占的面积不能制作其他器件，所以，它占据了很大一部分版图面积。图12画出了螺旋电感的剖面图和它的等效模型。优化电感设计时涉及的主要寄生元件是：螺旋串联电阻（R1），衬底电阻（R2、R3）以及螺旋线和衬底间的寄生电容（C1、C2）。为了减小寄生效应获得高的Q值，可以减小串联电图12 电感的剖面图和它的等效电路 图13 三种变容二极管 菱形点是MOS变容二极管,三角形是定制注入的结型,二极管圆形是未定制的结型二极管阻、改变有效衬底电阻和减小氧化电容。减小串联电阻是提高Q值最有效的方法，通常我们采用厚的、窄的、低阻值的金属线来改善串联电阻。这种方法可以将Q值提高100左右34。改变有效衬底电阻可以减小在衬底上的损耗。通常用高阻值的衬底和采用接地板的方法可以减小衬底的损耗。此种方法可以将Q值提高5035，36。减小氧化层电容也可以将Q提高20左右24。 变容二极管 变容二极管的关键参数是调谐范围和Q值。把一个FET的偏置从积累变到反型，电容会发生很大变化，可用作变容二极管。反偏的结型二极管也构成变容二极管26。MOS变容二极管的调谐范围大但线性度差。注入型的结型二极管的线性度较好但调谐范围小。通过调节变容二极管的注入可以改善其调谐范围。图13比较了三种变容二极管的调谐范围。可见，调节注入的结型二极管的调谐范围明显高于其他类型的变容二极管。对于Q值，三种变容二极管的Q值都和串联电阻有关。串联电阻越小，Q越高。Q值由低到高的顺序是：MOS变容二极管、调节注入结型二极管和未调节的结型二极管，和调谐范围的顺序正好相反。五 结 语 自20世纪80年代末前第一个功能SiGe HBT问世以来，SiGe技术发展迅速。其