Новости PCB - Технология изготовления материалов для высокочастотных цепей и радиочастотных контуров

Полупроводниковые материалы - это электронные материалы с полупроводниковыми свойствами (проводимость между проводниками и изоляторами, удельное сопротивление в диапазоне от 1 моМ-см до 1 ГОМ-см), которые могут быть использованы для изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем. Элементарные полупроводники - это полупроводники, состоящие из одного элемента, такого как кремний и германий, в то время как составные полупроводники - это полупроводники, состоящие из таких соединений, как арсенид галлия и фосфористый оксид алюминия. С развитием беспроводной связи применение высокочастотных схем становится все более широким. Сегодня мы хотели бы представить полупроводниковые материалы и технологические процессы, подходящие для радиочастотных цепей, микроволновых и других высокочастотных схем.

Арсенид галлия GaAs

Арсенид галлия (GaAs) обладает в 5,7 раз большей подвижностью электронов, чем кремний, что делает его очень подходящим для высокочастотных цепей. Электрические характеристики компонентов из GaAs в области высокой частоты, высокой мощности, высокого КПД и низкого уровня шума намного лучше, чем у кремниевых компонентов. Полевые транзисторы GaAs запасного типа (MESFET) или транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMTs/PHEMTs) могут иметь коэффициент полезного действия (PAE) до 80% при напряжении 3 В, что делает их очень подходящими для использования в высокочастотных цепях.Он очень подходит для высокоуровневой беспроводной связи на большие расстояния и с длительным временем связи.

Компоненты из арсенида галлия (GaAs) обладают гораздо более высокой подвижностью электронов, чем кремний, поэтому они изготавливаются по специальному технологическому процессу.В первые дни это были полевые транзисторы MESFET из металла и полупроводника, которые позже превратились в HEMT (транзисторы с высокой скоростью перемещения электронов), pHEMT (транзисторы с высокой подвижностью электронов), а теперь и HBT (гетеропереходные транзисторы с двумя несущими).Гетеро-биполярные транзисторы (HBT) - это компоненты на основе GaAs, которые не требуют отрицательного источника питания.Их удельная мощность, пропускная способность по току и линейность выше, чем у полевых транзисторов, это делает HBT оптимальным выбором компонентов для создания СВЧ-усилителей с высокой мощностью, высокой эффективностью и высокой линейностью. HBT - это лучший выбор компонентов.Компоненты HBT обладают преимуществами в отношении фазового шума, высокого gm, высокой плотности мощности, напряжения свертывания и линейности. Кроме того, он может работать от одного источника питания, что упрощает конструкцию схемы и снижает сложность реализации подсистемы, и очень подходит для исследований и разработок модулей приемопередатчиков радиочастотного и сверхвысокочастотного диапазона, особенно источников микроволнового сигнала, усилителей с высокой линейностью и других схем.

Производство арсенида галлия сильно отличается от традиционного производства кремниевых пластин.Арсенид галлия необходимо изготавливать с использованием эпитаксиальной технологии, которая обычно составляет 4-6 дюймов в диаметре, что намного меньше, чем 12-дюймовые кремниевые пластины. Эпитаксиальные пластины требуют специального оборудования, а стоимость сырья из арсенида галлия намного выше, чем у кремния, что в конечном итоге приводит к удорожанию готовой микросхемы из арсенида галлия.Существует два типа эпитаксиальных пластин: один - химический MOCVD, а другой - физический MBE.

Нитрид галлия GaN

В широкополосных полупроводниковых материалах разработка нитрида галлия (GaN) шла относительно медленно из-за отсутствия подходящих материалов для монокристаллических подложек, плотности разрядных ошибок и других проблем.Однако после вступления в 90-е годы, в связи с непрерывным развитием технологий производства материалов и устройств, полупроводниковые материалы и устройства GaN развивались очень быстрыми темпами и в настоящее время стали новой ослепительной звездой в области широкополосных полупроводниковых материалов.

Применение полупроводниковых материалов GaN - это первое крупное достижение в области светоизлучающих устройств. В 1991 году японская компания Nichia (Ничиа) начала исследование и разработку успешного сапфира в качестве подложки для синего светодиода GaN (СИД), а затем приступила к коммерциализации синих и зеленых светодиодов на основе GaN. Используя синие светодиоды на основе GaN и фосфоресцирующую технологию, компания разработала устройства, излучающие белый свет, отличающиеся высоким сроком службы и низким энергопотреблением. Кроме того, компания первой разработала синие полупроводниковые лазеры на основе GaN.

Высокоэффективные сине-зеленые светодиоды на основе GaN могут использоваться для создания широкоэкранных полноцветных дисплеев для отображения динамической информации внутри и снаружи помещений в различных областях применения. Высокоэффективный белый светодиод, являющийся новым типом энергоэффективного твердотельного источника света, срок службы которого составляет более 100 000 часов, можно сравнить с лампами накаливания, что позволяет экономить электроэнергию в 5-10 раз больше, чем обычно, для достижения двойной цели - экономии ресурсов и снижения загрязнения окружающей среды. В настоящее время светодиоды на основе GaN широко используются, и вы можете видеть это каждый день, в светофорах, цветных видеосигналах, детских игрушках и даже в лампах-вспышках.Успех светодиодов на основе GaN привел к революции в оптоэлектронной промышленности.Синие полупроводниковые лазеры на основе GaN в основном используются при производстве DVD-дисков нового поколения, которые позволяют увеличить плотность хранения более чем в 20 раз по сравнению с современными CD-ROM.

Использование материалов GaN, а также для изготовления детектора ультрафиолетового излучения (УФ), который имеет широкий спектр применений в измерении пламени, обнаружении озона, лазерном детекторе. Кроме того, что касается электронных устройств, ожидается, что использование материалов GaN, позволяющих создавать высокочастотные и мощные электронные устройства, будет играть важную роль в аэрокосмической промышленности, высокотемпературной радиационной среде, радарах и средствах связи. Например, в области авиации и аэрокосмической промышленности высокопроизводительное военное летное оборудование должно быть способно работать при высоких температурах, датчики, электронные системы управления и силовые электронные устройства и т.д. Для повышения надежности полета электронные устройства на базе GaN будут играть важную роль в помимо своей высокотемпературной работы, он не нуждается в охлаждении и значительно упрощает электронную систему, что позволяет снизить вес самолета.

Люминофор InP

InP является важным составным полупроводниковым материалом, уступающим кремнию и GaAs.Практически одновременно с разработкой и исследованием элементарных полупроводниковых материалов первого поколения, таких как германий и кремний, ученые начали активно изучать составные полупроводниковые материалы.

Появление InP как нового типа полуизолированных пластин имеет большое значение для улучшения и повышения производительности микроэлектронных устройств на основе InP. Полуизолированные пластины, полученные в процессе высокотемпературного отжига, не только сохраняют характеристики высокого сопротивления традиционной подложки из самородного легированного железа, но и значительно снижают концентрацию железа и значительно улучшают электрические свойства, однородность и консистенцию. В настоящее время качество полуизолированных подложек из InP нуждается в улучшении.

Природный полуизолированный InP получают путем легирования атомами железа в процессе выращивания монокристалла.Для достижения цели полуизоляции концентрация легирующего вещества атомов Fe относительно высока, и высокая концентрация Fe, вероятно, будет рассеиваться при эпитаксиальном и приборном процессах. Кроме того, из-за малого коэффициента конденсации железа в люминофоре монокристаллический слиток InP демонстрирует четкий градиент легирования вдоль оси роста, при этом концентрация железа в верхней и нижней частях отличается более чем на порядок, что затрудняет обеспечение консистенции и однородности нарезки отдельных пластин от этого.Что касается нарезанных одиночных пластин InP, то из-за влияния границы раздела твердое тело-жидкость во время роста, атомы железа распределены концентрическими кругами от центра пластины к краям, что, очевидно, не может удовлетворить потребности некоторых устройств. Все эти факторы являются основными препятствиями для качества полуизолированных люминофорных монолитных пластин.

В последние годы отечественные и зарубежные исследования показали, что полуизолирующая подложка, полученная путем отжига низкоомных нелегированных пластин InP при высоких температурах в определенной атмосфере, может преодолеть вышеуказанные проблемы. В кристалле InP механизм формирования полуизоляции может быть грубо сведен к двум аспектам: один заключается в легировании большого количества основных (элементов) для компенсации мелких размеров для достижения полуизолированного состояния, к которому относится основной легированный полуизолированный фосфид плутония. какая-то ситуация; другой способ заключается в образовании новых дефектов для уменьшения концентрации основного восстановителя, в то время как постоянное большое количество основных (элементов) также происходит для компенсации того, что нелегированный полуизолированный фосфид плутония относится к этой категории, могут образовываться новые дефекты. при высокотемпературном отжиге и новые дефекты могут быть удалены при обработке высокотемпературным отжигом, чтобы преодолеть вышеуказанную проблему. В процессе высокотемпературного отжига и облучения могут образовываться новые дефекты. В соответствии с этой идеей исследователи из Института полупроводников Китайской академии наук предприняли три шага для получения нелегированной полуизолированной люминофор-фосфидной основы: во-первых, метод прямого вытягивания с жидкостной герметизацией для получения монокристаллов люминофор-фосфида высокой чистоты с низким сопротивлением, не содержащих примесей (поверхность с низким сопротивлением), а затем разрезать ее на пластины определенной толщины и инкапсулировать в кварцевые трубки и, наконец, подвергнуть высокотемпературной обработке отжигом в нужной атмосфере. Исследователи провели десятки сравнительных экспериментов по отжигу в атмосфере чистого фосфора и фосфида железа. После сравнительных испытаний и анализа было обнаружено, что полуизолированные люминофорные пластины, отожженные в атмосфере фосфида железа, не только имели меньше дефектов, но и имели хорошую однородность.

Для дальнейшего изучения практического влияния этой отожженной подложки на соседние эпитаксиальные слои исследователи использовали метод молекулярной камбоджийской эпитаксии для выращивания идентичных эпитаксиальных слоев InAlAs на подложках из люминофора с естественным легированием и полуизолированного люминофора, отожженных в атмосфере фосфида железа, соответственно. Результаты испытаний показывают, что последний вариант более благоприятен для выращивания эпитаксиальных слоев с хорошим качеством кристаллизации. Кроме того, после введения одинаковой дозы ионов кремния в эти две подложки и после быстрого отжига результаты испытаний Холла подтверждают, что последний может значительно повысить эффективность запуска введенных ионов.

Фосфоритные пластины широко используются в производстве высокочастотных, высокоскоростных и мощных микроволновых устройств и схем, а также спутников и солнечных батарей для космического пространства. Это предпочтительный материал для подложки в быстро развивающейся области волоконно-оптической связи. Кроме того, устройства на основе InP обладают преимуществами в области микросхем и коммутации. Успешная разработка этого нового типа полуизолированных люминофорных пластин сыграет важную роль в области национальной обороны и высокоскоростной связи. 13-й научно-исследовательский институт China Electronics Technology Group (CETG) успешно изготовил транзисторы с высокой подвижностью электронов с рабочей частотой 100 ГГц, используя этот новый тип полуизолированной фосфиновой подложки из чистого фосфора.

SiGe

В 1980-х годах IBM добавила Ge для улучшения материалов Si, чтобы увеличить скорость потока электронов, снизить энергопотребление и улучшить функциональность, но ей случайно удалось объединить Si и Ge. С тех пор как в 1998 году IBM объявила о запуске SiGe в массовое производство, за последние два-три года SiGe стала одной из наиболее востребованных технологий обработки микросхем беспроводной связи.

Согласно характеристикам материала, SiGe обладает хорошими высокочастотными характеристиками, хорошей безопасностью материала, хорошей теплопроводностью, технологической зрелостью, высокой степенью интеграции и имеет преимущество в виде более низкой стоимости. Другими словами, SiGe может не только напрямую использовать существующий процесс изготовления полупроводниковых пластин толщиной 200 мм для достижения высокой степени интеграции, что обеспечивает экономичный масштаб, но и обладает высокоскоростными характеристиками, сравнимыми с GaAs. Благодаря недавним инвестициям заводов IDM технология SiGe постепенно выходит на предельную частоту (fT), а напряжение пробоя (Breakdown voltage) становится слишком низким, чтобы решить проблему и стать более практичной.

В настоящее время в этот технологический процесс, разработанный IBM, интегрирована высокоэффективная технология SiGe HBT (гетеропереходный биполярный транзистор) на 3,3 В и 0,5 мкм CMOS, которая может использоваться для конфигураций с аналоговым, радиочастотным и смешанным сигналом с использованием активных или пассивных компонентов.

SiGe предлагает преимущества интеграции, производительности и стоимости кремния, а также преимущества в быстродействии, присущие полупроводникам 3-5 классов, таким как GaAs и InP. Полупроводниковая технология SiGe может быть использована для интеграции высококачественных пассивных компонентов путем добавления металлических и диэлектрических блоков для уменьшения паразитной емкости и индуктивности. Кроме того, можно регулировать изменение поведения устройства в зависимости от температуры, контролируя легирование оксидом алюминия. технологический процесс SiGe BiCMOS совместим практически со всеми новыми технологиями в области создания кремниевых полупроводниковых сверхбольших схем синтеза (СБИС), включая технологию "Кремний на изоляторе" (SOI) и технологию траншейной изоляции.

Однако для того, чтобы заменить GaAs, кремнию необходимо продолжать улучшать напряжение пробоя, частоту среза и энергопотребление.

Радиочастотная КМОП-матрица

Радиочастотные КМОП-процессы можно разделить на два основных типа: процесс с использованием объемного кремния и процесс "кремний на изоляторе" (SOI). Из-за диодного эффекта между истоком и стоком на подложке КМОП-матрицы из физического кремния, приводящего к целому ряду недостатков, большинство экспертов считают, что невозможно использовать этот процесс для получения переключателя высокой мощности и линейности. В отличие от кремниевых, радиочастотные переключатели, изготовленные по технологии SOI, могут последовательно соединять несколько полевых транзисторов, чтобы выдерживать высокие напряжения, точно так же, как переключатели GAAS.

Хотя считалось, что технология КМОП на чистом кремнии подходит только для конструкций с большим количеством цифровых функций, а не для радиочастотных микросхем с аналоговыми схемами, после более чем десятилетней напряженной работы, улучшения характеристик КМОП, сотрудничества литейных заводов с технологическими процессами толщиной менее 0,25 мм и тенденции к интеграции что касается чипов беспроводной связи, то технология RF CMOS не только стала актуальной темой научных исследований, но и вызвала интерес ученых в этой области. Технология RF CMOS является не только актуальной темой академических исследований, но и привлекла внимание промышленности. Самым большим преимуществом внедрения технологии RF CMOS, конечно же, является высокая степень интеграции компонентов RF, базовой полосы частот и памяти в единое целое и в то же время снижение стоимости компонентов. Однако суть вопроса по-прежнему заключается в том, сможет ли радиочастотная КМОП-матрица решить проблемы высокого уровня шума, низкой изоляции и добротности, а также снизить возросшую стоимость процесса для повышения производительности, чтобы соответствовать строгим требованиям, предъявляемым к радиочастотным схемам беспроводной связи.

В настоящее время большинство продуктов, использующих RF CMOS для радиочастотных микросхем, - это радиочастотные микросхемы Bluetooth и WLAN, которые имеют более мягкие радиочастотные характеристики. Например, производители чипов Bluetooth, такие как CSR, Oki, Broadcom и др., уже запустили Bluetooth-передатчики с использованием CMOS; корпорация Intel объявила, что она уже разработала Bluetooth-передатчики, которые могут поддерживать все текущие стандарты Wi-Fi (Wi-Fi, Wi-Fi, Wi-Fi и т.д.).. Корпорация Intel объявила о разработке прототипа двухдиапазонного беспроводного приемопередатчика с прямым преобразованием данных на основе КМОП-технологии, который поддерживает все современные стандарты Wi-Fi (802.11a, b и g) и соответствует ожидаемым требованиям стандарта 802.11n. Прототип оснащен усилителем частоты 5 ГГц и легко разделяет функции передатчика и приемника. Производители микросхем для беспроводных сетей, такие как Atheros и Envara, также недавно представили наборы микросхем для многомодовых беспроводных сетей WLAN (.11b/g/a), полностью обработанные CMOS.

Технические характеристики радиочастотных микросхем сотовых телефонов очень строги, но лед тронулся. Silicon Labs была первой, кто применил цифровую технологию для усиления низких промежуточных частот (LIF) в фильтрах основной полосы частот и фильтрах выбора цифровых каналов, чтобы уменьшить проблему слишком высокого уровня шума CMOS при производстве набора микросхем Aero LIF для GSM/GPRS, Infineon немедленно последовала его примеру, а также разработала большое количество продуктов, производимых по технологии RF CMOS, и Qualcomm, после приобретения Berkana, также активно внедряют технологию RF CMOS, группа новых производителей RF без исключения внедрили технологию RF CMOS, даже самую передовую 65-нанометровую технологию RF CMOS. После приобретения Berkana компания Qualcomm также активно внедрила технологию RF CMOS. Ряд новых производителей радиочастотных устройств без исключения внедрили технологию RF CMOS, даже самую передовую 65-нм технологию RF CMOS. Старые компании Philips, FREESCALE, STMicroelectronics и Renesas по-прежнему придерживаются традиционного технологического процесса, в основном технологии SiGe BiCMOS, а Nokia по-прежнему использует множество радиочастотных приемопередатчиков STMicroelectronics. Европейские и американские производители всегда были консервативны в отношении новых продуктов, не доверяя RF CMOS, но крупные корейские производители Samsung и LG, а также китайские Xaxin и Lenovo, под давлением дороговизны, выпускают большое количество приемопередатчиков с технологией RF CMOS. В настоящее время недостатками могут быть несколько более высокая частота отказов и более высокое энергопотребление, а также необходимость использования нескольких микросхем, что увеличивает сложность конструкции. Но это все еще в пределах допустимого диапазона.

Среди других приложений - радарные системы безопасности для автомобилей, в том числе радары с частотой 24 ГГц для обнаружения слепых зон и радары с частотой 77 ГГц для предупреждения о столкновении или усовершенствованного круиз-контроля; IBM является лидером в этой области, разработав SIGE четвертого поколения, который был представлен в 2005 году и имеет ширину линии 0,13 мкм.

Утренняя СВЯЗЬ

Особой разновидностью SOI является технология "сапфир на кремнии", обычно называемая в промышленности Ultra CMOS. сапфир по своей сути является идеальным изолятором с высокими вносимыми потерями и низкой изоляцией паразитной емкости под подложкой. ultra CMOS способен создавать очень большие радиочастотные полевые транзисторы практически без паразитной емкости при нормальной толщине подложки от 150 до 225 мкм. транзистор имеет диэлектрическую изоляцию с диэлектрическим изолятором, который используется для изоляции транзистора. Транзисторы диэлектрически изолированы для повышения сопротивления замыканию и изоляции. Для достижения полной разрядки толщина слоя кремния составляет всего 1000 А. Слой кремния настолько тонок, что не выступает за пределы корпуса устройства, что делает его по-настоящему трехполюсным. В настоящее время Ultra CMOS производится на стандартном 6-дюймовом технологическом оборудовании и успешно апробирован на 8-дюймовой производственной линии. Результаты демонстрации сопоставимы с результатами других КМОП-процессов.

Несмотря на то, что BVDSS одного коммутационного устройства относительно невелик, последовательное объединение нескольких полевых транзисторов все еще может поддерживать высокие напряжения. Чтобы обеспечить надлежащее распределение напряжения по всему блоку устройств, паразитная емкость от полевого транзистора к подложке должна быть незначительной по сравнению с паразитной емкостью между истоком и стоком полевого транзистора. Когда окружность устройства достигает миллиметров, что приводит к низкому общему сопротивлению, для обеспечения надлежащего распределения напряжения необходима по-настоящему изолирующая подложка.

Компания Peregrine владеет основными патентами в этой области, и с помощью технологии Ultra CMOS легко интегрировать катушки индуктивности и конденсаторы с высокой добротностью. Добротность катушки может достигать 50 на сверхвысокочастотных частотах, а сверхбыстрые цифровые схемы могут быть интегрированы непосредственно в тот же радиочастотный чип. Широкополосные коммутаторы PE4272 и PE4273 компании являются примером использования UltraCMOS (см. рисунок). Два устройства 75 Ом предназначены для использования в цифровых телевизорах, персональных компьютерах, телевизионных приставках для спутникового телевидения в прямом эфире и других тщательно отобранных инфраструктурных коммутаторах. Используя однополярный двухпозиционный формат, они являются хорошей альтернативой контактным диодным переключателям и значительно сокращают количество компонентов при одновременном повышении общей производительности.

Оба устройства имеют вносимые потери 0,5 дБ на частоте 1 ГГц, коэффициент сжатия p1 дБ на частоте 32 дБм и изоляцию 44 дБ на частоте 1 ГГц при статическом токе всего 8 мкА при напряжении 3 В и ESD 2 кВ. PE4273 поставляется в 6-контактном корпусе SC-70 с изоляцией 35 дБ, а PE4272 - в 8-контактном корпусе MSOP с изоляцией 44 дБ. Модели PE4272 и PE4273 продаются по цене $ 0,45 и $0,30 соответственно в количестве 10 тысяч штук.

Аналогичный продукт также был разработан японской компанией OKI, которая сотрудничает с Peregrine, и называется SOS technology by OKI. Технология SOS основана на технологии “UTSi”. Технология “UTSi” была разработана американской компанией Peregrine Semiconductor Corp., которая вступила в партнерство с Oki в январе 2003 года, и основана на технологии “UTSi”. На сапфировой подложке формируется пленка из монокристаллического кремния, а затем схема формируется с использованием КМОП-технологии. Подложка SOS, в которой используется сапфир с хорошими изоляционными свойствами, снижает энергопотребление схемы, сформированной на подложке, по сравнению с кремниевыми подложками и подложками SOI (кремний на изоляторе). Потребляемая мощность радиочастотного переключателя, разработанного Oki, составляет всего 15 мкА (при напряжении питания от 2,5 до 3 В), что составляет примерно 1/5 от потребляемой мощности существующих радиочастотных переключателей, использующих материалы GaAs.

Si BiCMOS

Интегральные схемы на основе Si включают в себя Si BJT (Si-транзистор с биполярным переходом), Si CMOS и Si BiCMOS (Si биполярный комплементарный металлоксидный полупроводник), которые сочетают в себе характеристики биполярного и КМОП-транзистора. Si Биполярный комплементарный металлоксидный полупроводник (SiBCMOS). Поскольку кремний является наиболее совершенным материалом, используемым сегодня в полупроводниковой промышленности, он имеет большое преимущество с точки зрения объема производства и цены. Традиционно транзисторы, изготовленные из кремния, в основном являются BJT или CMOS. Однако, поскольку кремний не имеет полуизолированной подложки, а коэффициент усиления самого электронного компонента относительно низок, его высокочастотные электрические свойства необходимо дополнительно улучшить, если он будет использоваться при изготовлении микросхем беспроводной связи для работы на высоких частотах. В дополнение к улучшению структуры материала для увеличения долговечности компонента, необходимо улучшить изоляцию цепей и добротность с помощью таких процессов, как изоляция траншей. В результате процесс усложнится, а частота отказов и стоимость значительно возрастут.

Таким образом, процесс Si BiCMOS с низким уровнем шума, высокой скоростью электронного перемещения и высокой степенью интеграции является наиболее популярным в настоящее время. Основными областями применения являются модули ПЧ или низкоуровневые радиочастотные модули, в то время как производство радиочастотных интерфейсных компонентов, таких как малошумящие усилители, усилители мощности и переключатели, по-прежнему находится в дефиците.