고급 Si RF 기술과의 GaAs MESFET, HEMT 및 HBT 경쟁
기술
RF 시장의 경쟁 기술에 대해 간략히 설명하겠습니다. 주어진 주요 수치는 생산 공정을 지향하며 원칙적으로 기술에서 실현 가능한 기록이 아닙니다.
MESFET(그림 2a)는 여전히 작동하는 GaAs 기술입니다. 주로 반절연 기판에 이온 주입을 기반으로 합니다. 이것은 에피택셜 층이 필요하지 않기 때문에 원자재 비용과 관련하여 가장 비용이 적게 드는 공정입니다. 시장에 나와 있는 기술은 0.8μm에서 0.25μm까지의 게이트 길이로 처리됩니다. 에프T25GHz 범위의 값은 사용된 게이트 길이에 따라 프로덕션에서 사용할 수 있습니다. FET는 1~2GHz 주파수 범위에서 1dB 미만의 잡음 지수를 쉽게 달성할 수 있습니다. 전력 성능은 위상 배열 레이더 애플리케이션의 x-대역 범위에서 10W 등급에 도달합니다. 대부분의 장치는 게이트를 제어하기 위해 음의 전압이 필요한 공핍 모드 유형입니다. 얕은 채널이 있는 향상 모드는 단일 극성 공급만 필요합니다.
HEMT(그림 2b) 기술은 원칙적으로 MESFET 구조와 유사합니다. 이 경우 에피택셜 웨이퍼는 활성층을 제공합니다. 그들은 2 DEG에서 높은 전자 이동성을 제공하는 단일 또는 이중 헤테로 구조 전이를 통합합니다. EPI는 대부분 MBE에서 성장하지만 일부 팹에서는 MOCVD도 사용됩니다. 이 EPI 웨이퍼 요구 사항은 기판 비용을 크게 증가시킵니다. f에는 0.12μm까지의 게이트 길이가 필요합니다.T최대 100GHz. 모바일 통신 시장의 애플리케이션을 위해 경우에 따라 게이트 길이가 0.5μm로 확대됩니다. 이것은 기술을 단순화하고 수율을 최적화하지만 fT1-2GHz 범위에 대해 여전히 30-40GHz까지 충분합니다. HEMT는 높은 이득 성능과 함께 RF 기술의 최저 잡음 지수를 제공합니다. 경우에 따라 이 높은 게인은 강한 발진 가능성으로 인해 저주파 범위에서 문제가 없는 볼륨 애플리케이션에 단점이 됩니다.
HBT(그림 2c)는 수정된 바이폴라 트랜지스터입니다. 이미터층과 베이스층은 서로 다른 밴드갭 물질로 형성된다. 이미터는 더 넓은 밴드 갭을 가지므로 이미터는 베이스로의 정공 주입에 대한 장벽을 전달합니다. 이러한 방식으로 표준 동종 접합 바이폴라의 주요 결함이 극복됩니다. 이 경우 필요한 EPI 레이어로 인해 대부분 MOCVD이지만 MBE도 사용되므로 MESFET에 비해 원자재 비용이 높습니다. HBT는 단일 전원에서 바이폴라 트랜지스터로 작동할 수 있습니다. GaAs 기반 HBT의 최소 피쳐 크기는 약 2μm 이미터 폭이므로 MESFET 및 HEMT 기술로 완화됩니다. 에프T30-60GHz 범위에서 생산에 도달합니다. HBT는 수직 전류 흐름으로 인해 우수한 RF 전력 밀도를 제공합니다. 그러나 이것은 GaAs 기판의 나쁜 열 거동에서 실현되며 극복하기 위해 많은 노력이 필요합니다. 기존의 Si 바이폴라에서 알려진 매우 우수한 위상 잡음으로 인해 GaAs HBT는 발진기 애플리케이션을 위한 탁월한 장치입니다.
f를 사용한 고급 성능 실리콘 바이폴라 프로세스(그림 2d)T세련된 고성능 IC 기술 라인에서 최대 25GHz까지 처리됩니다. 이중 폴리 자체 정렬 기술, 측벽 스페이서 기술, 매립층, 선택적으로 주입된 수집기에서 0.4μm 이미터 폭의 표준 피처 크기는 이러한 고도로 정교한 장치에 구축됩니다. 이미터 폭이 더 축소된 훨씬 더 진보된 기술을 f와 함께 사용할 수 있습니다.T최대 45GHz(B6HFE). Si 공정의 가장 큰 장점 중 하나는 Si의 고집적 기능을 사용할 수 있는 잠재력입니다. 고집적 바이폴라 전용 회로뿐만 아니라 CMOS 기술과의 조합(BiCMOS 그림 2f).
SiGe HBT(그림 2e)는 Si 고급 바이폴라 공정을 더욱 개선한 것입니다. 베이스 레이어는 헤테로 SiGe 레이어로 대체됩니다. B7HF 공정에서 최소 형상 크기는 0.25μm이고 AlSiCu 금속화는 4층 구리 금속화로 대체됩니다. 프로세스에 f가 있습니다.T75GHz의 표준 CMOS와 완벽하게 호환됩니다. 저소음 애플리케이션을 위한 다른 프로세스는 f를 보여줍니다.T60에서 70GHz까지 생산 중입니다. 애플리케이션에 전력을 공급하려면 더 높은 항복 전압이 필요합니다. 최소 피처 크기와 함께 기본 레이어를 확대해야 합니다. 이렇게 하면 성능이 크게 저하됩니다. 예를 들어 fT약 30GHz로 떨어집니다. 낮은 위상 잡음의 일반적인 양극성 이점은 SiGe HBT에도 유효합니다.
성능 비교
기술의 성능은 표 1에서 비교됩니다. 여기에 기술의 약점과 강점이 표시됩니다. 기술의 잠재 시장은 표 2에 요약되어 있습니다.
2GHz 미만의 주파수 범위에서 대부분의 애플리케이션에 필요한 저잡음 성능은 GaAs와 Si 모두 충족할 수 있습니다. 많은 저잡음 수신기 애플리케이션이 Si 기술에 의해 다루어질 것입니다. 통합 기능으로 인해 추가 기능도 포함됩니다. 그러나 입력 IP3가 높은 슈퍼 선형 믹서와 같은 특수 응용 분야는 여전히 GaAs 장치의 영역입니다. 1W 선형 또는 압축 전력 >2W의 전력 애플리케이션은 GaAs의 영역이 될 것입니다. 그러나 단일 프로세스만의 영역이 아니라 3가지 기술이 모두 시장에 출시될 것입니다. 장치 성능 DC 및 RF의 정확한 적합성, 선형 시스템의 유휴 전류 수준, 총 외부 장치 수, 패키지 크기, 온칩 또는 오프 칩에서 음의 전압 생성 및 마지막으로 가장 중요한 총계와 같은 기술 간에 결정하는 추가 기준이 있습니다. PCB 보드의 기능 비용.
1 배터리 셀 휴대 전화까지 이동 통신의 저전압 추세는 더 높은 이득과 더 나은 PAE로 인해 현재 HEMT 기술을 선호할 수 있습니다. 그러나 MESFET(DIOM LVM 공정)을 위한 특수 주입 체계는 이 가장 비용 효율적인 기술을 시장에 제공할 것입니다.
Si 기술은 전력 애플리케이션에 분명한 단점이 있습니다. 시장에 나와 있는 장치는 더 큰 칩 크기와 따라서 큰 패키지에서 전력 수준을 생성합니다. 0.5W DECT, IS900MHz 또는 IS2.4GHz 애플리케이션의 경우 GaAs와 Si 간에 가장 강력한 경쟁이 있습니다. 여기에서 이전 Si 장치는 SSOP28과 같은 대형 패키지로 제공되었지만 이제는 칩 크기가 줄어들어 TSSOP10 패키지 장치도 사용할 수 있습니다. 경쟁 GaAs MESFET는 이를 SOT23 패키지(CGY195, CGY196)로 제공합니다. 2W GSM GaAs MESFET PA도 SCT595 패키지로 제공됩니다(TSSOP16에 비해 4배 더 작음).
그러나 결국 고객은 자신의 애플리케이션에 적합한 것을 결정해야 합니다.
군용 S-, C- 및 X-대역 위상 배열 레이더와 같은 더 높은 주파수 범위 전력 애플리케이션에서 MESFET 및 HEMT는 경쟁할 것입니다. 단거리 라디오, SATCOM 및 자동차 거리 레이더 애플리케이션을 위한 MMW 범위의 주파수의 경우 HEMT는 분명히 광대역 MMIC(예: LNA, 드라이버, PA 및 VCO)를 압도할 것입니다.
Si 기판 재료의 특징으로서 RF 기능을 집중 요소, 스트립라인 또는 동일면 설계에서 MMIC에 통합하는 것이 GaAs 기술의 일반적인 강점입니다. 따라서 마이크로웨이브 영역에서 통합 다기능 RF 장치의 기본 소스가 됩니다. Si 기술은 아날로그 바이폴라 기능을 VLSI CMOS 세계와 통합하는 이점이 있습니다. 이는 D/A 컨버터와 혼합 신호 애플리케이션을 통합할 수 있는 기회를 제공합니다.
SI 대 GAAS 및 헤테로 장치
일반적으로 오늘날 가시적인 상황은 GaAs가 적용되는 모든 RF 애플리케이션의 약 15~20%로 변경되지 않습니다. 애플리케이션이 최대 3.5GHz의 무선 시스템에 의해 지배되는 한 근본적인 변화는 기대할 수 없습니다. 즉 셀룰러 및 무선 전화기, WLAN, WLL, GPS 등
간단히 말해서 Si는 최대 2GHz까지 수신기 시장을 지배하는 반면 GaAs는 낮은 공급 전압에서 더 나은 PAE로 인해 PA의 0.5W 이상의 출력에 선호되는 재료입니다.
비용 측면에서 4인치 GaAs MESFET 웨이퍼의 공정 비용은 6인치 Si 바이폴라 웨이퍼의 공정 비용과 비슷합니다. 이것은 GaAs의 더 나은 통합 능력의 결과로 다소 보상됩니다. 즉, 면적 비용 대신 다이 비용을 고려해야 합니다. 마지막으로 사용자는 일반적으로 다이가 총 장치 비용의 약 1/3만 기여하고 다이가 작을수록 조립 비용이 낮아질 수 있음을 알아야 합니다.
또 다른 논의는 GaAs 및 Si에서 새로운 이종 장치의 응용 및 대체 가능성에 대한 것입니다. 이는 다음과 같이 요약할 수 있습니다.
-SiGe는 알려진 셀룰러 및 무선 전화 시스템과 관련하여 약간의 개선만 가져올 것입니다. 즉, 높은 비용으로 인해 Si 바이폴라 회로를 대체하지 않습니다. 중요한 질문은 물질적 이점이 1칩 UMTS 트랜시버의 실현을 정당화하는지 여부입니다. 또한 더 높은 주파수(2~20GHz)의 수신기에 대한 주요 잠재력이 있습니다.
– GaAs HEMT 기술은 최대 100GHz까지 최고의 MMW 재료입니다. 단극 트랜지스터의 장점과 1.5V 공급까지 뛰어난 성능을 결합하지만 GaAs MESFET에 비해 웨이퍼 비용이 2배 더 높습니다.
– GaAs HBT 프로세스는 단일 공급 전압의 후보입니다. GaAs MESFET 및 HEMT의 단점은 열 문제로 인한 수축 가능성 감소, 바이폴라 트랜지스터의 선형성 감소, HEMT에 비해 비용 수준 감소입니다.
그림 1 RF 기술 로드맵
그림 2. 혁신적인 RF 기술:
a) GaAs MESFET, b) GaAs HEMT, c) GaAs HBT, d) Advanced Si-Bipolar(B6HF),
- e) SiGe HBT(B7HF), e) BiCMOS(B6HFC)
표 1: 성능 비교, 약점 및 강점 ++ 최고, + 양호, o 보통
| GaAS 기반 기술 | Si 기반 기술 | ||||
| 매개 변수 | 메스펫 | HEMT | HBT | Si BJT | SiGe HBT |
| 작은 소음 | |||||
| LF<100MHz | ○ | ○ | + | ++ | ++ |
| RF 2GHz | ++ | ++ | ++ | + | + |
| RF 10GHz | + | ++ | + | ○ | |
| 이득 | + | ++ | ++ | ++ | ++ |
| 전력 <0.5W | ++ | ++ | ++ | + | + |
| >2.0W | ++ | ++ | ++ | ||
| 능률 | + | ++ | + | ○ | ○ |
| 낮은 전압 | + | ++ | + | + | + |
| 통합 RF 기능 | ++ | ++ | ++ | ○ | ○ |
| RF/디지털 | ○ | ○ | ○ | ++ | ++ |
| 전원 공급 장치 | + | + | ++ | ++ | ++ |
표 2: GaAs 애플리케이션 설문조사
| 시장/PC | 구성 요소들 | |||||
| 1994 | 2000 | MOS | 빕 | 디오 | 갈륨 비소 | |
| 1. 튜너 및 케이블 TV | 163′ | 190′ | X | X | X | |
| 2.휴대전화 | 50′ | 170′ | X | X | X | |
| 3.WLAN 및 WLL | 0'5 | 20′ | X | X | ||
| 4.MMW 라디오 링크 및 SATCOM | – | 0'5 | X | X | ||
| 5. 자동차 거리 레이더 | – | 2′ | X | X | ||
| 6.밀 레이더(PAR) | M | 0'5 | X | |||
| 7. 스마트 센서 | ||||||
| -표면 미세 가공 | 20′ | 80 ' | X | X | X | |
출처: 지멘스
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