回顾20年来III-V族半导体的技术进步和性能提升（下）

回顾20年来III-V族半导体的技术进步和性能提升（下）

获授权转载自《微波杂志》2020年7/8月号（www.mwjournalchina.com）

多功能和灵活集成

为了减少芯片数量和简化装配过程，采用了多功能技术，使其具有核心放大器以外的一些功能。由于每个MMIC都是为满足一组独特的需求而设计的，WIN公司开发出了一系列额外的功能，可以在需要时选用。这些芯片上功能有：静电放电保护（ESD）、功放性能控制、外部控制信号连接接口或集成接收低噪声放大器（LNA）和T/R开关，以实现单片式前端芯片的开发。

图10：肖特基和PIN二极管ESD保护电路的尺寸对比。

ESD保护在芯片中也许是最基本的功能。由于历史工艺的限制，PHEMT技术需要使用大面积肖特基二极管进行ESD保护。这些二极管使用与PHEMT栅电极相同的肖特基接触面，通过人体模型（HBM）实验将其限制在大约800V的保护范围内。根据所需的保护级别，这些大面积二极管可能会占用大量芯片面积。为了减小尺寸，WIN公司在其PHEMT工艺中加入了单片PN结二极管。它可提供高达3KV的HBM保护，但占用面积比肖特基小得多，可减少约80%的芯片面积（图10）。

图11：PIN二极管的插入损耗（a）和隔离度（b）与频率的关系。

用于PN二极管的工艺同样可用于PIN二极管。当与PHEMT工艺集成时，PIN二极管可以提供ESD保护，或作为LNA及单片前端毫米波T/R开关的功率限制器。图11显示了从PIH1-10毫米波PHEMT平台测量的两个并联PIN二极管的插入损耗和隔离度。7x7和10x10μm二极管的插入损耗分别为0.6dB和0.9dB。

图12：两比特GaAs解码器

为了简化与波束赋形芯片的接口，芯片上的逻辑电路对有源天线阵列尤为重要。一个不断增长的逻辑单元（cell）库，例如图12所示的两比特解码器，已经作为工艺选项被合并到基准PIH1-10技术中，如果应用需要，随时可以使用。这些逻辑单元和ESD基准电路库为设计人员提供了增强的工具，可以为高性能毫米波前端电路添加更多的功能。

依据所使用的III-V器件，PHEMT或GaN HEMT，功率晶体管可以用作低噪声放大器或射频开关。尽管增加了芯片的功能，但这同时将带来芯片性能上的折衷：片上LNA或RF开关，由于内建功率密度优化的晶体管，可能就达不到最佳的噪声系数或插入损耗。尽管如此，通过减少射频损耗、零件数量或简化装配流程和降低成本，这也可能是一种相对有利的取舍。为了帮助设计人员理解这种妥协的方案，WIN公司将它的GaAs PHEMT和GaN HEMT技术用于LNA和FR开关，并将其模型纳入PDK中。通过提供可选的增强/耗尽型晶体管（用于逻辑和数字偏置控制）和PN或PIN二极管（用于ESD保护、输入限制和功率切换），增强了设计的通用性。这些选项为设计复杂电路和实现具有挑战性的规范提供了多种的解决方案。

图13：独立的HBT（a）和BiHEMT（b）。

图14：使用单芯片BiHEMT前端的Wi-Fi模块。

采用GaAs HBT的单片微波集成电路（MMIC），通过在HBT工艺中添加增强/耗尽模式PHEMT器件来提升功能性。WIN公司的BiHEMT（双极+HEMT）平台可实现此功能。将这两种技术结合在同一个MMIC上，可提供高线性度和高效率的HBT功放，以及低损耗D模式PHEMT开关和带逻辑控制的低Fmin E模式LNA。因为BiHEMT控制逻辑可在较低的电压下工作，使得HBT的控制电压（Venable）从1.2V降低到耗尽模式PHEMT的0.75V（图13）。BiHEMT的集成优势已经被市场上用于Wi-Fi的单片前端模块所证明，这些模块集成了LNA、开关和功放（图14）。单芯片前端现在约占移动Wi-Fi生产量的30%到50%。

图15：用于I/O、热管理和高Q电感的铜触点。

随着移动设备变得越来越薄，内部板的安放空间变得越来越珍贵，从而推动前端供应链转向采用更小的封装——或者干脆不封装。同样，在毫米波相控阵中因封装损失1dB的功率也是相当昂贵的。这类封装挑战一直延伸到前端半导体技术，WIN公司已对此做出反应，并推出了一系列采用灵活的铜柱接触的装配接口，这些接口可以最大限度地减少封装面积并减少毫米波损耗。铜柱接触对于GaAs HBT和BiHEMT技术特别有用，因为它们形成RF/DC的连接，并为功放中的晶体管提供改进的散热环境（图15）。截面图显示了一个铜再分配层（RDL），用于形成高Q电感，或将输入/输出（I/O）触点置于底层电路之上。为了实现这种封装能力，WIN公司在其晶圆厂的同地设有自己的铜柱触点制造设施。

图16：芯片间射频转换器的接地平面式样。

在目前用于5G链路的28至39GHz频带上，通过对功率和LNA的过度开发以抵消封装损耗是十分昂贵的，尤其在大容量无线回传网（71至86GHz和92至114GHz）的更高频带上，此问题变得更加严重。键合线电感可使功放的性能降低1dB以上。在这些频率下输入/输出采用铜柱是可行的，然而，想要使用它们，设计上必须实现从微带向共面波导的过渡。不幸的是，业界在共面设计方面的经验十分有限，这就促使WIN公司开发出了一种工艺来对背面接地平面进行式样设计，以隔离输入/输出端口，并创建了芯片间射频转换器（图16）。MMIC结构上层采用微带，在射频输入/输出端口上有芯片间转换器，直流连接采用标准键合线。I/O连接的射频转换器背面的接地层被移除。这种式样设计技术的规则是灵活的，当把兼容的电路板设计和裸片键合工艺相结合时，该方法可以消除组件中的射频键合线。

总结

化合物半导体已经从性能驱动演变为智能手机、无线网络和多种应用中最具价值的前端技术。III-V族半导体，特别是GaAs，已经成为首选的前端解决方案，结合了最实用的性能和灵活的放大器。这种特性使得采用一种更简单的途径就能够满足更困难的MMIC性能要求。GaAs和GaN从多维度来优化和提高晶体管的性能，诠释了几十年来射频、微波和毫米波在性能方面的改善。这些技术现在可提供越来越多的芯片功能和更高的集成度，以支持各式各样的封装环境、应用和系统。

在过去的20年里，GaAs器件的年市场销售额已经增加到超过90亿美元。尽管面临着越来越高的技术规格的挑战和来自不断发展的硅工艺的激烈竞争，这种增长还是出现了。作为业界领先的III-V晶圆代工厂，WIN Semiconductors公司正以持续的技术进步、卓越的运营和规模化制造做出回应。这种能力是公司的核心力量，并支撑GaAs和GaN器件市场的持续增长。

（全文完）