Chapter 2 Component Technology and Foundry Choice
Chapter 2 Component Technology and Foundry Choice
在设计 MMIC 时，首先必须选择用于制造芯片的器件技术，然后再决定需要采用哪种代工工艺。首要因素是基底材料的选择，因为这种半导体材料的特性对最终 MMIC 的潜在性能影响最大。掺杂半导体中的电子迁移率和峰值速度决定了晶体管等有源器件中的电子对快速波动电场的反应速度，从而决定了它们的频率响应，而半导体衬底的能带带隙决定了晶体管击穿电压的高低，从而决定了它们的功率处理特性。处于半绝缘状态的半导体衬底的电阻率对电路也有重要影响，因为其值决定了在其表面制作的无源器件的损耗和 Q 因子。
下一个必须做出的技术选择是用作有源器件的晶体管类型，以便在 MMIC 中产生信号增益。最简单地说，就是选择使用场效应晶体管（FET）还是双极晶体管，但器件类型多种多样，从传统的硅互补金属氧化物半导体晶体管（CMOS）到高电子迁移率晶体管（HEMT）等具有量子阱约束功能的器件，以提高电子的迁移率。
本章概述了当今设计人员可选择的器件技术，首先介绍了不同半导体衬底材料的特性和属性，然后介绍了使用衬底材料有源表面层制造晶体管的类型。本章还将讨论 MMIC 工艺可制造的无源器件，以及基底技术的选择如何影响其特性。显然，每种不同的技术都与特定的代工厂有关，因此本章旨在帮助 MMIC 设计人员针对特定规格选择最合适的代工厂技术。
有源器件】
MMIC 上的有源元件是为芯片上的信号提供电压或电流增益的元件，换句话说就是晶体管。这些器件之所以被称为有源器件，是因为它们可以利用直流偏置功率在电路中主动增加射频信号功率，甚至首先产生信号。MMIC 二极管因其非线性特性和在混频器中用于频率转换，有时会被误认为是有源元件，但它们严格来说是无源元件，不能将直流电转换为射频功率。构成半导体衬底材料的元素决定了晶体管的潜在性能特征，这主要是由掺杂半导体中的电子特性决定的。电子峰值速度越快，电子迁移率越高（不与其他原子碰撞），电子就能更快地对应用的高频信号做出反应，晶体管就能在更高频率下获得增益。下一节将详细介绍 MMIC 工艺中使用的不同半导体衬底材料，并比较它们的特性。
衬底材料
最常用的基底材料是硅（Si）和砷化镓（GaAs），其中硅传统上用于射频和较低频率，而砷化镓则用于微波和毫米波频率。然而，随着硅锗（SiGe）晶体管的发展，硅衬底电路的频率响应正逐步进入微波频率区域。另一方面，砷化镓正通过使用栅极长度为十分之一微米的晶体管，在毫米波频率区域找到更多应用[1, 2]。随着频率超过 100 GHz，磷化铟（InP）等更奇特的衬底材料正逐渐取代砷化镓[3]。其他越来越多使用的衬底材料包括碳化硅（SiC）[4] 和氮化镓（GaN）[5]。这两种材料都是宽带隙半导体，这意味着它们的击穿电压比其他半导体材料高得多，可以在更高的结温和更高的输出功率下工作。这些常用半导体材料的特性见表 2.1。
需要注意的是，SiGe 半导体只是一个外延层，用于在晶体管中提供高电子迁移率，衬底材料是硅，其优缺点与纯硅工艺基本相同。与此类似，InP 有时也作为外延层生长在砷化镓（GaAs）衬底上，以便在更大和更成熟的半导体晶片上获得 InP 晶体管的性能。这种衬底被称为变质衬底，因为 GaAs 衬底的晶格常数必须通过外延层逐渐变为 InP 的晶格常数[6]。与砷化镓相比，作为衬底材料的 InP 更脆、更难处理。无论采用哪种衬底，InP 晶体管的一个缺点是肖特基势垒高度较低，从而限制了栅极电压摆幅，并导致通过栅极触点的反向二极管漏电较高[7]。图 2.1 显示了各种晶体管技术的典型输出功率与频率的函数关系。
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材料 电子迁移率（ ） 峰值速度（ ） 频率范围（ ） 噪声系数 增益 注释 Si SiGe GaAs GaN InP
Chapter 7 Processing Technology
Chapter 7 Processing Technology
晶圆减薄
MMIC 与其他电子电路的主要区别就在于其晶圆背面厚度需要减薄。因为晶圆背面不仅是电流返回路径，也是各个元件之间传输线的重要组成部分。
在减薄时，背面的表面平整度非常重要，因为微带传输线的微波损耗会随着地平面金属表面粗糙度的增加而增加。
影响晶圆厚度的因素
而影响最终晶片厚度的因素包括运行频率和需要通过晶片背面吸收的热量。
频率
当频率接近毫米波长时，如果衬底太厚，微带传播可能会变成多模传播。以射频和微波频率为目标的微带 MMIC 工艺通常厚度为 200μm，以毫米波频率为目标的工艺通常厚度为 100μm，功率器件工艺可薄至 50μm。
热
功率工艺需要薄衬底，以尽量减小从表面热源（如场效应管通道）到系统底盘（芯片背面的散热器）的热阻。这就是功率器件需要非常薄的基板的原因。但是需要注意的是，过薄的衬底容易导致晶圆转移过程中受损，减低量产率。
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