高度なSI RFテクノロジーとのGaas Mesfet、HEMT、およびHBT競争
高度なSI RFテクノロジーとのGaas Mesfet、HEMT、およびHBT競争
テクノロジー
RF市場での競合するテクノロジーについて簡単に説明します。指定された重要な数値は、生産プロセスを指向しており、原則としてテクノロジーで実行可能な記録ではありません。
Mesfet（図2A）は、まだ作業馬のGAASテクノロジーです。主に、半絶縁基質へのイオン移植に基づいています。これは、エピタキシャル層が不要なため、原材料コストに関する最も安価なプロセスです。市場のテクノロジーは、0.8μmまで0.25μmまでのゲートの長さで処理されます。 fT25GHzの範囲の値は、使用されるゲートの長さに応じて生産で利用できます。 FETは、1-2GHz周波数範囲で1 dB未満の騒音数値を簡単に達成できます。パワーパフォーマンスは、フェーズドアレイレーダーアプリケーションのXバンド範囲の10Wクラスに達します。ほとんどのデバイスは、Gate.Enhancement Modeを制御するために負の電圧を必要とする枯渇モードタイプであり、浅いチャネルを使用して単一極性供給のみが必要です。
原則としてのHEMT（図2B）テクノロジーは、メスフェット構造に似ています。この場合、エピタキシャルウェーハは活性層を提供します。彼らは、2°で高い電子移動度を提供する単一または二重ヘテロ構造遷移を組み込みます。 EPIは主にMBEによって栽培されていますが、MOCVDは一部のファブでも使用されています。このEPIウェーハの要件により、基質コストが大幅に増加します。 Fには0.12μmまでのゲートの長さが必要ですT最大100GHz。モバイル通信市場のアプリケーションの場合、場合によってはゲートの長さが0.5μmに拡大されます。これにより、テクノロジーが簡素化され、利回りが最適化されますが、T1〜2 GHzの範囲では、まだ30〜40GHzまで十分です。 HEMTは、RFテクノロジーの最も低いノイズ数値と高いゲインパフォーマンスを提供します。場合によっては、この高いゲインは、強い振動の可能性があるため、低周波数範囲での問題のないボリュームアプリケーションの欠点です。
HBT（図2C）は、修正された双極トランジスタです。エミッタとベース層は、異なるバンドギャップ素材で形成されます。より広いバンドギャップを持つエミッターは、エミッタがベースへの穴の注入に対する障壁をもたらします。このようにして、標準的な同性関与双極性の主な欠陥が克服されます。この場合には必要なEPI層のために主にMOCVDが使用されていますが、MBEも使用されていますが、原材料コストはMesfetに比べて高くなります。 HBTは、単一の電源から双極トランジスタとして動作できます。 GAASベースのHBTのMIN機能サイズは約2μmエミッター幅であり、MesfetおよびHEMTテクノロジーにリラックスしています。 fT生産時に30〜60GHzの範囲に達します。 HBTは、垂直電流の流れにより、優れたRF電力密度を実現します。ただし、これはGAAS基質の悪い熱挙動で実現されており、多くの努力を克服します。従来のSi双極から知られている非常に良好な位相ノイズにより、GAAS HBTは発振器用途向けの優れたデバイスになります。
Fを備えた高度なパフォーマンスシリコン双極プロセス（図2D）T洗練された高性能ICテクノロジーラインで最大25GHzが処理されます。ダブルポリセルフアラインド技術、サイドウォールスペーサー技術、埋もれた層、選択的な埋め込みコレクターの0.4μmエミッタ幅の標準機能サイズが、これらの非常に洗練されたデバイスに組み込まれています。さらに縮小したエミッタ幅を備えたさらに高度なテクノロジーは、Fで利用できますT最大45GHz（B6HFE）まで。 SIプロセスの最大の利点の1つは、SIの高い統合機能を使用する可能性です。高度に統合された双極の唯一の回路だけでなく、CMOSテクノロジーとの組み合わせもあります（BICMOS図2F）。
SIGE HBT（図2E）は、SI高度な双極プロセスのさらなる改善です。基本層は、ヘテロシゲ層に置き換えられます。 B7HFプロセスでは、最小機能サイズは0.25μmで、Alsicuメタ化は4層の銅メタ化に置き換えられます。プロセスにはfがありますT75GHzで、標準のCMOと完全に互換性があります。低ノイズアプリケーションの他のプロセスはfを示していますT60から70GHzまでの生産中。また、電源アプリケーションを提供するには、より高いブレークダウン電圧が必要です。ベースレイヤーとMIN機能サイズを拡大する必要があります。これにより、パフォーマンスが大幅に減少します。たとえば、fT約30GHzに下がります。低位相ノイズの一般的な双極性の利点は、SIGE HBTにも有効です。
パフォーマンスの比較
テクノロジーのパフォーマンスを表1で比較します。ここでは、技術の弱点と強度が示されています。テクノロジーの潜在的な市場を表2にまとめます。
2 GHz未満の周波数範囲のほとんどのアプリケーションに必要な低ノイズ性能は、GAASとSIの両方で満たすことができます。低ノイズレシーバーアプリケーションの多くは、SIテクノロジーの対象となります。統合機能もさらに機能するため、これらは含まれます。ただし、高い入力IP3を備えたスーパーリニアミキサーのような特別なアプリケーションは、GAASデバイスのドメインです。 1W線形または圧縮電力> 2Wの電源アプリケーションは、GAASのドメインになります。しかし、それは単一のプロセスだけのドメインではなく、3つのテクノロジーはすべて市場に出回っています。デバイスパフォーマンスDCとRFの正確な適合、線形システムのアイドル電流レベル、合計外部デバイスカウント、パッケージサイズ、チップのオンまたはオフチップ、および最後にPCBボードの合計関数コストのようなテクノロジーの間で決定するさらなる基準があります。
1つのバッテリーセルセルフォンまでのモバイル通信の低電圧傾向は、より高いゲインとより良いPAEのために、現在HEMTテクノロジーを支持する可能性があります。しかし、Mesfet（DIOM LVMプロセス）の特別な移植スキームは、この最も費用対効果の高いテクノロジーにもここで市場を提供します。
SI技術は、電力アプリケーションに明確な欠点を持っています。市場のデバイスは、より大きなチップサイズで電力レベルを生成するため、大きなパッケージも生成します。 0.5W DECT、IS900MHz、またはIS2.4GHzアプリケーションの場合、GAASとSIの間で最も強力な競争があります。ここでは、以前のSIデバイスはSSOP28のような大きなパッケージで配信されましたが、現在ではチップサイズが削減されているため、TSSOP10パッケージデバイスも利用できます。競合するGAAS Mesfetは、これをSOT23パッケージ（CGY195、CGY196）で配信します。 2W GSM GAAS MESFET PAは、SCT595パッケージ（TSSOP16と比較して小さい要因4）でも配信されます。
しかし、最後に、顧客は彼のアプリケーションに何が適合するかを決定する必要があります。
MESFETとHEMTが競合する軍事S-、C、およびXバンドのフェーズドアレイレーダーなどの高い周波数範囲の電力アプリケーションでは。短距離無線、SATCOM、および車の距離レーダーアプリケーションのMMW範囲の周波数の場合、HEMTは、LNA、ドライバー、PAおよびVCOなどのブロードバンドMMICで明らかに支配されます。
SI基質材料の特徴として、GAAS技術の一般的な強度であり、RF関数をひとまとめにした要素、ストリップライン、またはコプラナーデザインのMMICに統合します。これにより、マイクロ波領域に統合された多機能RFデバイスの主要なソースになります。 SIテクノロジーには、アナログ双極関数とVLSI CMOSの世界統合の利点があります。これにより、D/Aコンバーターと混合信号アプリケーションを統合する機会が得られます。
SI対GAASおよびヘテロデバイス
一般に、今日見える状況は、GAASでカバーされているすべてのRFアプリケーションの約15〜20％で変化しません。アプリケーションが最大3.5 GHzのワイヤレスシステムによって支配されている限り、根本的な変更は予想されません。 IEセルラーおよびコードレス電話、WLAN、WLL、GPSなど。
簡単に言えば、SIは最大2 GHzのレシーバー市場を支配しますが、GAASは、低供給電圧でのPAEが優れているため、PAを0.5Wを超える出力を優先する材料です。
コストの観点から見ると、4インチGAASメスフェットウェーハのプロセスコストは、6インチSI双極ウェーハのプロセスに匹敵します。これは、GAASのより良い統合能力の結果として多少補償されます。つまり、地域のコストではなく、DIEコストを考慮する必要があります。最後に、ユーザーは、通常、DIEがデバイスの合計コストに約1/3しか貢献しておらず、ダイが小さくなるとアセンブリコストが削減される可能性があることを知っておく必要があります。
別の議論は、GAASおよびSIの新しいヘテロデバイスのアプリケーションと置換の可能性についてです。これは次のように要約できます。
- シジュは、既知のセルラーおよびコードレス電話システムに関するわずかな改善のみをもたらします。つまり、より高いコストのためにSI双極回路を置き換えません。重要な問題は、重要な利益が1チップUMTSトランシーバーの実現を正当化するかどうかです。さらに、主な可能性は、より高い周波数（2〜20GHz）のレシーバーのためです。
–Gaas HEMTテクノロジーは、100GHzまでの最高のMMW材料です。ユニポーラトランジスタの利点と、1.5V供給までの優れたパフォーマンスを組み合わせていますが、GaaS Mesfetと比較して係数2のウェーハコストが高くなります。
- GAAS HBTプロセスは、単一の供給電圧の候補です。 Gaas MesfetおよびHEMTの欠点は、熱の問題、双極トランジスタの直線性の低下、およびHEMTと比較してコストレベルのために収縮潜在性を低下させます。
図1 RFテクノロジーロードマップ
図2。革新的なRFテクノロジー：
a）gaas mesfet、b）gaas hemt、c）gaas hbt、d）高度なsi-bipolar（b6hf）、
- e）Sige HBT（B7HF）、e）bicmos（B6HFC）
表1：パフォーマンスの比較、弱点、強度++最高、 +良い、o中程度
| GAASベースのテクノロジー | SIベースのテクノロジー | ||||
| パラメーター | MESFET | HEMT | HBT | si bjt | SiGe HBT |
| 低ノイズ | |||||
| LF <100MHz | ○ | ○ | + | ++ | ++ |
| RF 2GHz | ++ | ++ | ++ | + | + |
| RF 10GHz | + | ++ | + | ○ | |
| 利得 | + | ++ | ++ | ++ | ++ |
| パワー<0.5W | ++ | ++ | ++ | + | + |
| > 2.0W | ++ | ++ | ++ | ||
| 効率 | + | ++ | + | ○ | ○ |
| 低電圧 | + | ++ | + | + | + |
| 統合RF FUNC。 | ++ | ++ | ++ | ○ | ○ |
| RF/デジタル | ○ | ○ | ○ | ++ | ++ |
| 電源 | + | + | ++ | ++ | ++ |
表2：GAASアプリケーション調査
| 市場/PC | コンポーネント | |||||
| 1994 | 2000 | MOS | ビップ | ディオ | GaAsの | |
| 1.Tuner＆Cable TV | 163 ' | 190 ' | バツ | バツ | バツ | |
| 2.モービル電話 | 50 ' | 170 ' | バツ | バツ | バツ | |
| 3.wlan＆wll | 0'5 | 20 ' | バツ | バツ | ||
| 4.MMWラジオリンクとSATCOM | – | 0'5 | バツ | バツ | ||
| 5.カー距離レーダー | – | 2 ' | バツ | バツ | ||
| 6.milレーダー（par） | M | 0'5 | バツ | |||
| 7.Smartセンサー | ||||||
| - マイクロマシン | 20 ' | 80 " | バツ | バツ | バツ | |
出典：Siemens
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