射频前端常用的几种工艺

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射频前端常用的几种工艺

半导体技术从20世纪50年代开始发展至今，按材料分，主要经历了三代。

1第一代Ge（锗，zhě）和Si（硅），这个产业链非常成熟，成本较低，经常在大规模集成电路中使用。

2第二代是III-V族化合物的GaAs（砷化镓，shēn huà jiā）和InP（磷化铟）等，工作频率高抗辐射，主要应用在射频功率放大器和光电器件。

3第三代为GaN（氮化镓）和SiC（碳化硅），高能量密度，高击穿场强，更抗高温和辐射，主要应用在基站功放和LED，如2014年获诺奖的蓝光LED就是基于GaN材料。

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第一代
1.1

Ge现在不太常见，但它其实也是非常重要的半导体材料，第一个晶体管就是由锗制造的。Ge的禁带宽度小，有利于发展低电压器件；电子空穴迁移速率快，可以制作高速器件。但是Ge在工艺和器件性能上有一些问题：
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1）熔点较低，937°C的熔点限制了高温工艺（更高的熔点允许更宽泛的工艺容限，其它半导体材料熔点均在1200°C以上）；2）表面缺少自然发生的氧化物，从而容易漏电；3）导电性好，容易过热；4）地球储量少，原材料稀缺。
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: d3 u2 y. V6 e8 Z' K/ E这些都限制了Ge的大规模应用，因此基于Ge的半导体集成电路不太常见。

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Si 与 SiO2 （二氧化硅）的平面工艺，相比Ge有如下几个绝对的优势：

1）熔点高，1415°C的熔点允许更高温的工艺；2）解决了集成电路的漏电问题；3）电路表面形貌更平坦；4）地球储量非常丰富，土壤和沙子中含有大量 SiO2 和硅酸盐。
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$ {% d9 v& ~8 e: }- O) l9 z7 G因此，如今世界上超过90%的集成电路都是基于 Si 的。

7 l% t8 o4 y8 d/ ~: I; u9 jSi 材料最成熟的工艺当属 CMOS，即互补金属氧化物半导体。RF CMOS 工艺可分为两大类：体硅（Bulk-Si）CMOS工艺和SOI（绝缘衬底硅）工艺。

1.2.1体硅（Bulk-Si）CMOS工艺

& C2 L7 b* Y% y2 x0 `7 U体硅CMOS可以将射频、基频与存储器等组件合而为一提高集成度，并同时降低组件成本。现在LTE和Wi-Fi的收发机，以及分立的LNA等，基本采用体硅CMOS工艺制造。但是由于体硅CMOS在源和漏至衬底间存在寄生二极管，造成种种弊端，因此不太适合制作高功率高线性度开关。
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  B" j1 \0 y1 u+ V6 N9 c1.2.2 SOI（绝缘衬底硅）工艺

* x  }5 }1 g/ cSOI工艺最大的特点是在衬底Si和顶层Si之间加入了一层SiO2绝缘层。这种独特的Si/SiO2/Si结构实现了器件和衬底的全介质隔离，相比体硅CMOS工艺，减小了寄生电容，运行速度提高30%，降低了漏电，功耗减少约一半，并且消除了闩锁效应。多个管子级联可以承受高功率，因此业界一般采用SOI工艺来设计大功率开关以及天线调谐开关。

1.3

# x0 g9 L6 d* d% ?' A: v3 ]! d另一种较流行的材料是SiGe（锗硅）。

不同于硅技术中所形成的简单晶体管，SiGe需要晶体管具有异质结构和异质结，这些结构有好几层和特定的掺杂等级，从而允许高频运行。

依材料特性来看，SiGe高频特性良好，材料安全性佳，导热性好，功耗较低，而且制程成熟、整合度高，成本较低。SiGe不但可以直接利用半导体现有8寸晶圆制程，达到高集成度，还有媲美GaAs的高速特性。高频和低功耗的LNA产品一般采用SiGe工艺设计

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第二代
第二代半导体最具代表性的就是GaAs。

7 t' }7 v. g6 p其最重要的一个特性就是载流子的高迁移率，这种特性使得在通信系统里GaAs器件比硅器件更快的响应高频微波并有效地把它们转变为电流。通常GaAs器件比模拟类硅器件快两到三倍。GaAs本身对辐射所造成的漏电具有抵抗性。辐射（如宇宙射线）会在半导体材料中形成空穴和电子，它会增大不需要的电流，从而造成器件或电路的功能失效或损毁，而GaAs是天然辐射加固材料。

7 p. f$ [0 Y- @9 r. B0 e+ F尽管GaAs在性能上有很多优点，GaAs也不会取代硅成为主流的半导体材料。
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其原因在于性能和制造难度之间的权衡。虽然GaAs电路非常快，但是绝大多数电子产品不需要那么快的速度。在性能方面，GaAs如同Ge一样没有天然的氧化物，为了补偿，必须在GaAs表面淀积多层绝缘体。这样导致更长的工艺和更低的产量。而且在GaAs中半数的原子是砷，而砷是有毒的。
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5 r  s% {/ V6 a/ X4 V5 h3 p; f3 Z此外，在正常的工艺温度下砷会蒸发，这就额外需要抑制层或者加压的工艺反应。这些步骤延长了工艺时间，增加了成本。在GaAs晶体生长阶段也会发生蒸发，导致晶体和晶圆不平整。这种不均匀性造成晶圆在工艺中容易折断，而且也导致了大直径的GaAs生产工艺水平比硅落后。Si晶圆12寸已经大规模量产很久了，而GaAs的晶圆还只有6寸。

现在高频的开关以及功放等一般采用GaAs工艺。

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第三代
# _! B% R! X/ ]' E0 @GaN与现有技术相比，有更高的漏极效率、更大的带宽、更高的击穿电压和更高的结温操作。

目前的GaN还无法像硅一样直接获得一个晶圆, 它的衬底也只能通过外延技术(基于如蓝宝石，SiC，Si等) 获得一个厚的衬底，然后把这个厚的衬底剥离获得一个所谓的GaN晶圆。

& M; m6 D" ~4 ]目前GaN-on-Si已经有6寸晶圆量产了，而GaN-on-GaN的4寸晶圆量产都很困难。

monikaka

按材料分，主要经历了三代
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