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SiGe HBT技术的未来和应用

张珉，XMOD Technologies (shanghai)

基于SiGe HBT的欧盟项目众多，比如DOTSEVEN、CT209-RF2THZ、TRANTO、UlTIMATE、DIFFERENT等，时间跨度也有10-20年之久，涉及工艺、器件、模型、电路、封装、应用等方面。XMOD Technologies作为欧盟项目的核心成员，主要负责器件测量、模型和PDK的部分。欧盟大力发展SiGe HBT技术和应用的主要目的是进一步巩固和加强欧洲的领先优势。本文主要介绍SiGe HBT工艺的特别之处以及基于SiGe HBT工艺的现有和潜在应用。

SiGe HBT与III-V和CMOS

基于SiGe HBT技术的应用比较多地在高速高频领域。这里不得不提及传统上使用III-V族材料的器件，比如最新的技术InP HBT的f_T、f_max分别达到0.5、1.1THz (发射极宽度130nm、200nm)，相比DOTSEVEN项目中的器件性能是有优势的。

对于III-V族，主要问题在于集成，不能和当前的CMOS工艺兼容，随着节点的缩小，由于表面复合的原因产生低电流增益，同时工艺不稳、模型不准导致良率偏低，使费用大幅提升。因此，当下III–V族半导体技术和相关投资主要集中在小批量高频/高速应用。DTCO技术的应用以及火热的异质异构集成可以改善上述情况，但是大规模使用和具有高性价比还需时日。图1显示，通过先进的节点，CMOS器件可以达到非常高的性能。

图1 SiGe、InP两种材料的HBT和MOSFET的工作频率比较：（a）最大振荡频率和（b）截止频率。图中的线表示数据的非线性最小二乘拟合，红色正方形代表DOTSEVEN结果。

最佳截止频率RF-CMOS的工艺接近SiGe HBT，但需要明显更先进的光刻技术，比如实现DOTSEVEN的结果F_max=700GHz，需要CMOS具有大约14nm沟道长度的工艺。然而，在实际电路中，晶体管连接到其他晶体管以及器件连接在一起的时候，或多或少会附带电容、电感和电阻。图2a显示了晶体管之间典型连接的3D视图以及上部金属层。在图2b中，CMOS在实际电路中的性能比SiGe HBT器件下降的幅度大很多。在参考文献[1]中已经注意到类似的观察结果，如果把构建电路所需的金属层包括在内，其中45nm MOSFET的峰值工作频率（f_max）下降一半。HBT没有表现出这种严重恶化的原因是它们具有较高的跨导（g_m）和相应的驱动能力。换句话说，具有相同的g_m和输入电容比的器件具有同样的f_T，但拥有更高g_m的器件将从根本上得到更高性能的电路。因为，器件电容将只会或多或少占总电容的一小部分而已。另外CMOS在高频电路中的1/f噪声随着节点的缩小，变得越来越严重，成为一个比较难以逾越的门槛。对于射频无源器件，RF-CMOS工艺处理比相应的数字工艺更加昂贵，因此，用不是最先进的CMOS工艺，并集成高速高频的SiGe HBT工艺（即BiCMOS工艺）通常可以更便宜，因此与先进的RF-CMOS相比具有很强的成本竞争力。最近的欧盟项目中，也陆续看到了PDSOI/FDSOI集成SiGe HBT工艺。主要同时发挥SOI在特殊环境、超低功耗等方面的优势，实现数模、高频的芯片集成。因此，SiGe HBT在很长时间内可以通过和不同CMOS工艺结合，用BiCMOS工艺充分改善高速高频应用。而更先进的纯CMOS节点工艺仅适用于：1）在和HBT具有相同射频前端性能的前提下，有更高数字性能和高容量的需求。2）有非常大的量产需求。

图2 器件与其他电路元素(a)之间的连接对120nm发射极宽度和28nm沟道长度MOSFET的SiGe HBT的截止频率的影响(b)。位于ｂ图中靠上位置的线代表器件和器件引脚连接的去嵌数据，位于靠下位置的线代表没有去嵌的数据。

我们用上述理念同时比较了市场上其他比较热门的技术，比如CNFET、Nanowire、FinFET等。SiGe HBT相对来说g_m是最优秀的（图3）。按照最新的TCAD仿真预测，SiGe HBT路线图目前的极限在f_t=1THz、f_max=2THz。因此，在很长一段时间内能满足高频高速的应用需求。

图３ 各种工艺器件的非本征跨导比较，实心符号代表测试数据，空心符号代表预期的工艺路线图。

SiGe HBT的应用领域

高速通讯

为了将无线传输数据容量提高到10Gbps以上，用先进的调制方案提高频谱效率碰到了瓶颈，更高的带宽变得非常必要。毫米波和太赫兹由于其相对较大的带宽，显示出了对于未来无线通信的潜力。如此高的频率，与传统的无线电波相比会有更大衰减。尽管如此，90GHz、140GHz和240GHz正在考虑用于未来的通信和雷达，比如室内的无线个人网（WPAN）和局域网（WLAN）等。参考文献[2]介绍了一种完整的SiGe芯片组，实现了毫米距离的50Gbps传输。在参考文献[3]中，实现了100厘米距离的50Gbps数据速率，并进一步提高到65Gbps [4]。当然，CMOS工艺的前端也有了非常大的进步，具体的比较如表１所示。相比CMOS工艺，SiGe HBT的实际结果还是令人鼓舞，在表中红色框中，都是基于SiGe HBT工艺实现的应用，其他则基于CMOS工艺。

雷达应用

雷达系统很多用于距离和速度的感知，比如早已上市的77-78、79-81GHz雷达，主用于ADAS。类似地，94GHz适用于航天和航空雷达，比如用于在恶劣天气下显示跑道图像，用于机场地面控制系统和云调查等。对于更高的频率，可以允许毫米范围的分辨率，可用于工业成像、检测和自动化。

图4 毫米波雷达应用的各种潜在方向

此外，诸如手势识别的新型消费者应用产品也在进入市场。在DOTSEVEN的框架内，实现的频率已经达到240GHz、60GHz带宽、2.57毫米的分辨率，而在以前，只能通过激光测量系统实现。在欧盟项目中，出现了一些围绕毫米波雷达的生态链企业，有的提供120-300GHz毫米波雷达芯片（窄带、宽带、多发多收等）和开发板，有的提供差异化的终端解决方案，比如高分辨率、高速度、长距离、3D、4D等，应用场景有精密测量、材料分析、生命探测、工业4.0、基建测量、交通监控等各行各业。

成像和传感

基于计算机断层扫描原理的三维太赫兹成像（太赫兹CT）是可能的新兴应用之一，太赫兹辐射是非电离的，因此不需要专门的安全措施，太赫兹CT代表了一个有趣的X射线技术的替代品，可用于低成本的工业质量控制。比如图5，物体到雷达的距离为780mm时接收到的纸板上对应的两个横向位置的现有和丢失的药片。可以注意到，因为毫米波雷达有足够的分辨率，信号返回可以识别铝箔盖密封的位置、塑料空腔，最终可以检测到丢失的药片。相应扫描对象的三维表面重建（峰值搜索算法）可以在图6中获得。

图5 片剂的2D扫描，检测缺失药片

图6 片剂的3D扫描，检测缺失药片

在太赫兹3D医疗成像领域，基于SiGe HBT工艺芯片的系统也已经实现了在490GHz时高达60dB的动态范围，这为后期的大规模量产提供了良好的开端。

国内现状和策略

总的来说，基于SiGe HBT的应用从欧盟项目十几年的发展和规划来看，非常值得国内借鉴，也能解决当前国内某些半导体技术方面的壁垒。SiGe HBT工艺对CMOS要求并不高，主要取决于HBT器件，相对于其他工艺，国内距离并不是很远，也是可能容易赶上的。在世界各地200和300毫米晶圆的FAB制造厂中，THz范围内的SiGe HBT器件是很受期待的。对于那些相对落后并折旧（低成本的）的数字CMOS平台，相关的SiGe BiCMOS单芯片技术能够覆盖（在合理的晶圆成本前提下）毫米波和太赫兹中等及大容量应用模拟前端，而最先进的CMOS技术，要么价格问题，要么模拟电路特性问题，导致难以实施。因此，对SiGe的相对较小的HBT工艺开发投资，将在终端商品市场覆盖率上获得很大的收益。国内目前没有一条和欧洲（IHP、ST、Infineon)比肩的SiGe HBT工艺线。目前很多国内设计公司的芯片主要通过国外代工的流片方式进行，这对于关键工艺国产化是背道而驰的。希望此篇文章对将来国内SiGe HBT产业发展有参考作用。

参考文献

[1] Inac, O., Cetinoneri, B., Uzunkol, M., Atesal, Y., and Rebeiz, G. M. (2011). “Millimeter-wave and THz circuits in 45 nm SOI CMOS,” in Proceedings of the Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium [CSICS] (Rome: IEEE), 1–4.

[2] Fritsche, D., Sta¨rke, P., Carta, C., and Ellinger, F. (2017). A low power SiGe BiCMOS 190 GHz transceiver chipset with demonstrated data rates up to 50 Gbit/s using on-chip antennas. IEEE Trans. Microw.Theory Tech. 65, 3312–3323.

[3] Vazquez, P. R., Grzyb, J., Sarmah, N., Pfeiffer, U. R., and Heinemann, B. (2017). “Towards THz high data-rate communication: a 50 Gbps all-electronic wireless link at 240 GHz,” in Proceedings of the 4th ACM International Conference on Nanoscale Computing and Communication, Washington DC.

[4] Rodriguez Vazquez, P., Grzyb, J., Sarmah, N., Heinemann, B., and Pfeiffer, U. R. (2018). A 65 Gbps QPSK One Meter Wireless Link Operating at a 225–255 GHz Tunable Carrier in a SiGe HBT Technology. Anaheim, CA: RWW.