| 簡介
---2004年2月,安捷倫科技宣布,其銷售的E-pHEMT (增強模式偽形態(tài)高電子遷移率晶體管)功放器(PA)模塊的銷售量已經(jīng)突破1000萬。GSM模塊和CDMA模塊每月的銷售總量大約為200萬件。盡管消費者可能對手機中的功放器技術(shù)并沒有偏好,但安捷倫相信,它選擇開發(fā)E-pHEMT技術(shù),為手機制造商提供了功率加效率(PAE)、低壓操作和高可靠性等獨特優(yōu)勢。這些特點給最終用戶帶來了直接的好處,如提高電池使用時間,或使用相同的電池容量為更多的手機功能供電(如流行的集成攝像模塊)。
---E-pHEMT的前期開發(fā)始于20世紀80年代,當時,惠普實驗室(也就是現(xiàn)在的安捷倫實驗室)是把它作為數(shù)字信號處理中集成電路制造工藝來開發(fā)的。之后在技術(shù)開發(fā)過程中,E-pHEMT表現(xiàn)出可望能夠為RF應用提供擁有尖端性能、高質(zhì)量和價格極具競爭力的產(chǎn)品。由于這一工藝在功放器模塊中表現(xiàn)出非常高的性能,因此安捷倫投資1億美元在科羅拉多州柯林斯園區(qū)建立了一家6英寸晶片制造廠,專門生產(chǎn)E-pHEMT (見圖1)。從6英寸制造工藝入手帶來了許多挑戰(zhàn),因為設備的供應商非常少,但似乎有一點很明確,那就是要想在RF半導體市場、特別是在功放器市場中保持長期競爭力,擁有6英寸工藝是必不可少的。從2002年開始,柯林斯制造廠已經(jīng)開通,并投入大批量生產(chǎn)。
制造工藝詳細情況
--- 一般來說,與異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)相比,由于其高電流和低泄漏性能需要多個薄層,E-pHEMT一般在某些外延方面要求更高的控制水平。因此,安捷倫一直采用分子束外延(MBE)反應堆控制層的厚度和成分,并采用其他外延生成技術(shù)。E-pHEMT門限靈敏度還取決于外延生長參數(shù)的數(shù)量,這意味著必須迅速開發(fā)原位監(jiān)測方法和生長后晶片檢定方法。
--- 能否良好地控制門限Imax和泄漏電流取決于Schottky柵極觸點的工藝控制。由于E-pHEMT是一種表面通道設備,表面特點尤為重要,特別是III-V材料本身沒有保護性的氧化物。
---沒有正確清潔的表面殘余物會改變晶體管門限和泄漏電流。例如,清潔時用水過多很容易會腐蝕表面層,導致低Imax和低門限電壓。蝕刻和灰燼中的離子轟擊會降低信道電流,提高泄漏電流。對小型數(shù)字晶體管,通過其他設備參數(shù)的部分折衷,可以實現(xiàn)門限的一致性。對功放器,在指定門限電壓范圍內(nèi)同時實現(xiàn)低泄漏電流和高Imax至關(guān)重要。III-V晶片的蝕刻、清潔和保護及柵極電極形成序列構(gòu)成了安捷倫專有的工藝,安捷倫認為,這一工藝對E-pHEMT技術(shù)的成功至關(guān)重要。
---在開發(fā)E-pHEMT過程中,挑戰(zhàn)之一是GaAs FET設備的泄漏電流性能一直較差,它通常要求采用漏極開關(guān),這提高了電路復雜性和成本。安捷倫E-pHEMT PA消耗的漏極源電流(Idss)非常低(在室溫時不到10 mA),它同時采用隱埋柵極及正確晶體方向?qū)崿F(xiàn),并利用選擇蝕刻工藝降低了第二個凹槽深度,優(yōu)化了InGaAs信道。其結(jié)果,E-pHEMT泄漏不再與缺陷有關(guān),也就是說,泄漏電流不再像許多人錯誤認為的那樣是系統(tǒng)崩潰的主要指標。 性能
 ---許多技術(shù)都是為線性放大器或飽和放大器而優(yōu)化的,而E-pHEMT功放器則在線性模式(CDMA)和飽和模式(GSM)下都提供了杰出的PAE。首先,低RDSon提供了很高的漏極效率,高增益則降低了輸入驅(qū)動要求。第二,高ft和fmax可以實現(xiàn)非�？焖俚那袚Q,降低設備中的功耗。
---其另一種優(yōu)點是廣泛的帶寬匹配能力,這對GSM多頻應用尤為重要。注意在圖2中,在1710～1910 MHz的整個上方頻段中,保持了輸出功率和PAE。
---當前的手機市場發(fā)展態(tài)勢一直在延長通話時間和提高手機功能之間搖擺。當前的電池能量密度一般為400 Wh/l (瓦·時/升),而下一代電池預計將把這一數(shù)字提高50%。為了實現(xiàn)這種改進,手機中提供的電壓將從3.2V下降到2.5V。因此必須改變功放器技術(shù),以便在較低的電壓時保持足夠的性能。
 ---一般來說,功放器要求偏置緩沖區(qū),以正確地設置偏置點。對基于雙極技術(shù)的功放器,這導致串聯(lián)兩個PN聯(lián)接,電壓下降大約2.4 V。這限制了提供的偏置網(wǎng)絡余量數(shù)量,特別是在電池電壓下降到3 V以下時。而E-pHEMT設備擁有非常低的接通電壓,因此在偏置余量方面沒有這種限制。這可以在小于3 V的偏置電平時實現(xiàn)杰出的Pout和效率性能。圖3是低壓時的性能實例。
可靠性
---良好的RF性能必不可少,但設備還必須非�？煽�,以便為通信OEM提供真正的價值。
---一般來說,雙極設備(包括HBT)會由于基極到發(fā)射極電壓(Vbe)的溫度特點而受到影響。 這一參數(shù)與溫度成反比,溫度提高會導致Vbe下降。較小的Vbe會導致電流提高,進而導致Vbe進一步下降。在沒有檢查時,這種有效反饋會導致溫度失控條件,進而導致設備失效。因此,GaAs HBT設備要求鎮(zhèn)流器電阻器,通過使用鎮(zhèn)流器電阻器,會降低設備中提供的電壓擺幅。實際結(jié)果是必須在增益、PAE和輸出功率之間進行折衷。相比之下,E-pHEMT設備較熱區(qū)域RDSon本身會提高,這提供了固有鎮(zhèn)流功能,在不損害Pout或PAE性能的情況下,消除了溫度失控情況。
---HBT和E-pHEMT設備之間的另一種差別是HBT設備中的輔助擊穿機制。由于局部擊穿效應導致失衡和熱區(qū),這可能會引起過熱,使HBT的電極熔斷。因此,HBT設備要求在集電極中增加一個夾具,如Zener二極管,限制峰值輸出電壓。這些夾具在夾上時會增加某些損耗及生成雜散信號。由于固有的鎮(zhèn)流效應,這種輔助擊穿在E-pHEMT中是不存在的。
--- 由于天線斷開、存在大的接地排及使用充電器,因此功放器通常會受到輸出阻抗大的變化影響。在輸出和輸入之間存在足夠的電位差時(對FET是漏極到柵極,對BJT和HBT是集電極到基極),任何設備都會被擊穿。在HBT設備中,輸出Vcb上的高電位差會導致雪崩效應,進而在設備中導致非常突然的、災難性的電流流動,引起設備被擊穿。在FET輸出上的電位差同樣高時,電源會完全關(guān)斷,從漏極到電源沒有擊穿路徑。FET中的擊穿電壓取決于漏極到柵極的電位BVGD。FET設備的BVGD要遠遠高于導致雙極設備中集電極到發(fā)射極“穿透”的電位差。由于FET的擊穿電壓較高,因此其性能要更加強健。 集成到模塊中
 ---功放器只是通信電子器件RF區(qū)段的一部分。集成提高了已知的性能,因為更多的元器件裝在一個封裝中,可以在更高等級的組裝之前對其進行測試。安捷倫希望把E-pHEMT優(yōu)勢應用到開關(guān)及CDMA、WCDMA和GSM前端模塊內(nèi)的無源匹配結(jié)構(gòu)中。除E-pHEMT外,大多數(shù)FEM都采用濾波技術(shù)。
---安捷倫已經(jīng)研制了一種濾波技術(shù),稱為薄膜腔聲諧振器(FBAR),這種技術(shù)將與E-pHEMT結(jié)合使用。圖4說明了在5mm×8mm封裝中結(jié)合使用E-pHEMT功放器和FBAR雙工器的實例。目前安捷倫正在為GSM應用開發(fā)類似的FEM,將對功放器和天線開關(guān)使用E-pHEMT,對接收濾波器使用FBAR。對產(chǎn)品開發(fā)來說,更大的好處是共同設計FEM內(nèi)部不同單元之間的接口：E-pHEMT到E-pHEMT或E-pHEMT到FBAR,而不只是集成這兩種技術(shù)。 結(jié)論
--- E-pHEMT有許多優(yōu)點,如杰出的RF性能和高可靠性。令人激動的是,這種技術(shù)的潛力只是剛剛顯現(xiàn)。今天,我們正在處理第一代E-pHEMT。未來增強功能將包括更高的PAE、為低壓操作優(yōu)化的設備及更高的功能集成程度。
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66821730(技術(shù)支持)
