針對高頻寬帶應(yīng)用的SiGeHBT

---以移動電話和無線局域網(wǎng)（WLAN）為首的無線應(yīng)用產(chǎn)品,正在急速向高頻寬帶發(fā)展。尤其是在WLAN數(shù)字無繩電話等領(lǐng)域,以往一直是2GHz帶寬,現(xiàn)在也開始利用5GHz（請參閱圖1）。在WLAN的核心部件高頻放大器里,一直都是使用GaAs器件,但是GaAs器件價格昂貴,人們期待在成本方面更為有利的高性能SiGe器件早日上市。
---在這樣的背景下,很多半導(dǎo)體器件制造商都在競相開發(fā)高性能 SiGe器件。日本NEC公司新開發(fā)出一種可用于5GHz帶寬高頻放大器的圓片工藝UHS2HV工藝;利用這種工藝成功地開發(fā)出了高增益且低噪聲的SiGeHBT系列產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品中的NESG2021M05/NESG2031M05型晶體管,適用于低噪聲放大器;NESG2101M05型晶體管,適用于中功率驅(qū)動器和功率放大器。

UHS2HV工藝特點(diǎn)
---利用UHS2HV工藝制造的晶體管截面圖（確切地說是射極與基極之間的PN結(jié)的放大圖）如圖2所示。在UHS2工藝過程中,基區(qū)里使用SiGe選擇外延生長技術(shù),可形成混合結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu),基極引出部分利用非結(jié)晶硅,這樣可減少引出串聯(lián)電阻。另外,在形成射極的原處采用摻雜砷元素的多晶硅AIPOS（Arsenic In-situ Doped Poly Silicon）技術(shù)和快速熱退火RTA（Rapid Thermal Annealing）方法,從而可形成淺結(jié)的PN結(jié)。在UHS2HV工藝?yán)?由于優(yōu)化了上述技術(shù),所以可實(shí)現(xiàn)良好的器件特性。下面介紹詳細(xì)內(nèi)容。
(1) SiGe基區(qū)設(shè)計
---在雙極晶體管的基區(qū)層里引入鍺（Ge）元素,具備如下3個優(yōu)點(diǎn)：(a) 利用外延生長技術(shù)改善基區(qū)剖面控制性,以低電阻形成淺的基區(qū);(b) 在射極與基極之間采用混合PN結(jié),由于基區(qū)的禁帶寬度（Band Gap）變窄,可以提高空穴由基區(qū)到發(fā)射區(qū)的注射勢壘,結(jié)果是基極電流降低,使晶體管的電流放大倍數(shù)提高;(c) 使基區(qū)中的Ge濃度變化,從而迫使禁帶寬傾斜,于是產(chǎn)生漂移電場;正是由于漂移電場存在,發(fā)射極注入到基區(qū)的電子在基區(qū)渡越時獲得加速,于是實(shí)現(xiàn)了少數(shù)載流子（電子）的基區(qū)渡越時間降低。
---利用上述特點(diǎn),在本工藝?yán)镞M(jìn)行設(shè)計的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)低噪聲化。設(shè)計上的主要電參數(shù)不外乎是基區(qū)電阻（Rb）、電流放大倍hFE和截止頻率fT,各參數(shù)之間互相制約,需要權(quán)衡。追求低噪聲的同時要權(quán)衡晶體管的功率增益和耐壓,以帶有0～11% Ge濃度梯度的摻雜硼元素的SiGe層為例,優(yōu)化各個參數(shù)和器件圖形。與以往的晶體管相比,此SiGeHBT的基區(qū)設(shè)計成果是在基區(qū)電阻方面降低了35％。
(2) 集電極設(shè)計
---在以往的SiGeHBT器件里,獲得高fT和低噪聲特性的同時,不可避免的要付出耐壓VBR（CEO）降低的代價。眾所周知,晶體管耐壓低是限制廣泛應(yīng)用或制約使用方法的關(guān)鍵因素。在本工藝?yán)?對集電極和基極之間的PN結(jié)斷面進(jìn)行優(yōu)化,耐壓的額定值保證不低于5V。因此,可使用的電壓范圍大幅度擴(kuò)展,新產(chǎn)品比以往的產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域更廣闊。
---晶體管實(shí)現(xiàn)高耐壓化需要權(quán)衡功率增益下降,幸好由于集電極和基極之間的電容降低發(fā)揮出補(bǔ)償作用;因此,此次開發(fā)的晶體管產(chǎn)品,具備高功率增益特性。新舊工藝產(chǎn)品的噪聲指數(shù)NF 和增益Ga的比較結(jié)果如圖3所示。

新產(chǎn)品性能
(1) 封裝結(jié)構(gòu)
---通用高壓SiGeHBT系列產(chǎn)品的封裝結(jié)構(gòu)為4PTSMM,這種封裝結(jié)構(gòu)是扁平4引線薄型模塑結(jié)構(gòu),其外形尺寸為2.05mm×2.00mm。
(2) 新產(chǎn)品特性
---通用高壓SiGeHBT系列產(chǎn)品,力圖按照用途提供最佳特性,共分3種類型,電流特性各異：例如,NESG2021M05型是高增益低電流型,NESG2031M05型為低噪聲型,NESG2101M05型是中功率型。具體特性如下。
(a) 直流特性
---低噪聲型NESG2031M05的IC-VC特性和ICIB-VBE特性分別如圖4所示。在該器件里,利用了SiGe中的Ge濃度梯度,正如IC-VC特性所示的那樣,實(shí)現(xiàn)了高初始電壓 （VAF≥60V）。而且,僅就ICIB-VBE特性而論,直到低電流區(qū)域也能獲得良好波形。各種類型晶體管的hFE線性度如圖5所示。從中不難看出,本系列中的3種類型晶體管產(chǎn)品都具備良好的線性。顯然,這種寶貴特性對于在放大器里應(yīng)用是必備的條件。
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(b) 噪聲特性
---作為低噪聲放大器的重要性能指標(biāo),噪聲指數(shù)NF和放大倍數(shù)Ga（增益）的關(guān)系,下面將深入介紹。
---實(shí)際測試表明,在2GHz情況下,噪聲指數(shù)和增益Ga都是集電極電流的函數(shù),詳見圖6所示。例如,在低噪聲型 NESG2031M05里,當(dāng)集電極電流 Ic在低電流區(qū)域至Ic=5mA的區(qū)間內(nèi)變化時,獲得到如下結(jié)果：噪聲指數(shù)NF=0.8dB(@f=2GHz,VCE=2V);當(dāng)Ic=5mA, f=2GHz,VCE=2V的情況下,獲得17.3dB的增益值。又如,對于NESG2021M05型晶體管,當(dāng)Ic=3mA時,則噪聲指數(shù)NF=0.9dB(@f=2GHz VCE=2V),增益Ga達(dá)到18.8dB,不愧為低電流高增益晶體管。
---本系列產(chǎn)品不僅在2GHz下表現(xiàn)出良好性能,而且在5.2GHz下也表現(xiàn)不凡。例如,低噪聲型NESG2031M05晶體管,當(dāng)頻率為5.2GHz,Ic=smA的情況下,NF=1.3dB而Ga=1.03dB;這表明在5.2GHz帶寬下使用時具備良好性能。NESG2021M05型晶體管,在低集電極電流情況下獲得高增益。此外,在1～5GHz情況下,NESG2031M05型晶體管具備良好的NF和Ga值。詳情如圖7所示。






(c) S21e 2、MSG功率特性
---在f=2GHz的情況下,插入增益（ S21e 2）,最大穩(wěn)定增益（MSG）也是集電極電流Ic的函數(shù),詳見圖8所示。這同NF、Ga的情況相似,NESG2021M05的增益最高,其MSG為22.4dB。對于NESG2031M05型晶體管,當(dāng)電流Ic為5mA時,能達(dá)到18.8dB。而且在 S21e 2方面,各種型號晶體管的插入增益值如下：NESG2021M05達(dá)到19.4dB, NESG2031M05為18.8dB,NESG2101M05也達(dá)到13.5dB,堪稱是高增益晶體管。
---對于中功率型NESG2101M05晶體管,其輸入功率 Pin和輸出功率 Pout之間的關(guān)系,分別如圖9和圖10所示。

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結(jié)束語
---綜上所述,SiGeHBT系列產(chǎn)品不僅可用于2GHz領(lǐng)域,而且可以在5GHz應(yīng)用并且具備良好性能。也就是說,作為面向WLAN、移動電話和數(shù)字化無繩電話等無線機(jī)器的高頻放大應(yīng)用的器件,一直是非GaAs器件莫屬,如今,這種情況已不復(fù)存在,SiGeHBT系列產(chǎn)品成為GaAs器件的有力競爭產(chǎn)品。此外,SiGeHBT系列產(chǎn)品還將采用更小型封裝,應(yīng)用領(lǐng)域也將擴(kuò)展到壓控振蕩器等各個方面。