硅锗(SiGe)是一种用于无线应用的半导体技术。它提供了无线系统所需的高速、高频性能，并提供了在单个集成电路(IC)上集成、射频和数字功能的潜力。此外，它是基于低成本的硅晶片。不可否认，它比传统的硅双极技术需要更多的工艺步骤。但这是一种正在被无线设计人员所接受的半导体工艺，在未来的几年里，它必将在数字架构上留下自己的印记。

在一年多一点的时间里，许多公司已经推出了基于SiGe的商用IC，包括TEMIC半导体公司(Heilbronn, Germany)，去年发布了用于2.4 GHz无线数字欧洲无线通信(DECT)应用的U7004B型IC。SiGe集成了低噪声放大器(LNA)、功率放大器(PA)和发射/接收(Tx/Rx)开关驱动器，从单个+3-VDC电源中提取350-mA的典型电流，并实现2 dB的典型噪声系数(NF)。

此后不久，SiGe微系统公司(加拿大安大略省渥太华)推出了几款放大器产品(见下面的侧栏“名字有什么意义?”)，Maxim集成公司(加利福尼亚州森尼维尔)推出了其首款SiGe产品，一系列下行转换器混频器和lna，用于蜂窝和个人通信服务(PCS)应用(见微波,射频， 1999年2月，第140页)。Maxim的MAX2680, MAX2681和MAX2682下变频混频器涵盖了从400到2500 MHz的各种NFs和动态范围的广泛应用。该公司的MAX2640 LNA在900 MHz时提供超过15 db的增益和0.9 db的NF。MAX2641 LNA在1900 MHz时具有14.4 db增益和1.3 db NF。

最近，应用微电路公司(加利福尼亚州圣地亚哥)、Intersil/Harris公司(佛罗里达州墨尔本)和Stanford Microdevices公司(加利福尼亚州森尼维尔)等公司已经展示了基于SiGe的数字和射频产品的商业可能性。例如，应用微电路公司上个月推出了S3057 IC，这是一种多速率串行/反串行接口IC，用于同步光网络(SONET)/同步数字层次(SDH)和千兆以太网OC-48应用，速度为2.488 Gb/s。当参考时钟工作在155.52 MHz时，低抖动IC仅消耗来自单个+3.3 vdc电源的1.5 w功率。

Intersil已经将其成功的PRISM无线局域网(WLAN) ic系列转换为SiGe双极互补金属氧化物半导体(BiCMOS)，作为PRISM II芯片组开发的一部分。HFA3983 SiGe单片PA只是针对2.4 ghz工业-科学-医疗(ISM)频段WLAN应用的五种ic之一。它集成了一个30db的PA电路，一个具有15db动态范围的对数功率检测功能，以及cmos级兼容的上/下电功能。SiGe放大器具有两个级联的低压单电源级，可为WLAN系统中的直接序列扩频(DSSS)信号提供+ 18dbm的典型输出功率。典型的功率增益为30db。在额定输出功率下，对数检测器的精度在1db以内。在其15 dB动态范围内，检测器的斜率为100 mV/dB。该放大器设计用于PRISM HFA3861基带处理器和HFA3783同相/正交(I/Q)调制器/解调器。与许多使用SiGe ic进入商业无线市场的公司类似，HFA3983是在IBM(纽约州霍普韦尔Junction)拥有和运营的SiGe代工厂制造的。

Stanford Microdevices (Sunnyvale, CA)的SGA系列通用放大器和lna为从DC到5ghz的各种无线应用提供了低成本的解决方案。基于SiGe异质结-双极晶体管(HBT)工艺，1毫米发射器，f(T)为65 GHz，放大器系列包括型号SGA-64，额定输出功率为+20 dbm，从直流到1.8 GHz的1db压缩。单片微波IC (MMIC)在1 GHz时可实现超过19 db的增益，在2 GHz时可实现超过16 db的增益，并从+5.2 vdc电源中汲取75 mA。

IBM无疑是当今市场上SiGe开发和接受背后最强大的力量。许多参与无线设计和开发的公司都依赖于IBM位于纽约北部的霍普韦尔枢纽代工厂。例如，RF Micro Devices (Greensboro, NC)已经与IBM签署了一项协议，使用该工艺开发SiGe RF构建模块。IBM SiGe技术的合作伙伴包括Hughes Electronics (Malibu, CA)和Nortel technology (Ottawa, Ontario, Canada)。此外，Philsar Electronics, Inc. (Nepean, Ontario, Canada)已与IBM签署许可协议，并计划使用该技术设计低功耗集成电路。一段时间以来，IBM一直大力支持CommQuest Technologies (Encinitas, CA)和National Semiconductor (Santa Clara, CA)的SiGe设备开发，仅举几例。

尽管有许多合作伙伴，IBM也开发了一些自己的SiGe产品，包括SiGe分立器件和ic。例如，该公司的型号IBM43RF1111 SiGe LNA是蜂窝和pc应用的理想选择。它在900 MHz时提供17 dB增益，在1900 MHz时提供11 dB增益，在900 MHz时类似gaas的NF仅为1.4 dB。无条件稳定放大器实现了+8 dBm的输入三阶截距点(IP3)，并且仅从+2.7至+3.3 VDC的单电源中吸取7.5 ma电流。

去年，该公司报告了SiGe BiCMOS在制造超大规模集成电路(VLSI)专用集成电路(asic)方面的潜力旨在验证设计库元素与SiGe过程，8.06 3 8.06毫米ASIC可能代表无线应用的单芯片的先驱。ASIC采用双多晶硅自取向SiGe BiCMOS工艺制备，在+3.4 VDC击穿电压下转换频率(f(T))为50 GHz，在+5.7 VDC击穿电压下转换频率(f(T))为28 GHz。

今年早些时候，该公司还展示了一款用于5.2 ghz的收发器IC该收发器采用0.5 mm SiGe BiCMOS技术，由几个混频器、几个中频放大级、一个RF LNA和RF驱动放大器组成。使用Cascade Microtech (Hillsboro, OR)的探针对硅片进行测试。该IC设计用于5.2 GHz工作，可实现7 GHz的3db带宽，下变频增益为11.7 dB, NF为7.5 dB，输入三阶拦截性能为-11.2 dBm，在300 mhz中频(IF)带宽上的幅度不平衡为0.33 dB。收发器还提供14.7 db上转换增益和输出-23 dBm的1 db压缩点。使用单个+3.3 vdc电源，IC为接收器消耗122mw功率，为发射器消耗114mw功率。

SiGe的故事始于1986年左右，当时IBM开发了超高真空/化学气相沉积(UHV/CVD)加工能力，以比其他晶圆加工技术(如分子束外延(MBE))更快的速度生产均匀的SiGe异质结构。虽然该公司在1987年使用MBE制造了第一个SiGe HBT，但此后不久就转向了更高效的UHV/CVD处理方法。1993年，IBM和Devices (Wilmington, MA)宣布共同努力生产12b, 1.2 gsamples /s数传转换器(DAC)，这一消息引起了巨大的反响。不幸的是，两家公司的共同努力并没有在当时的低击穿电压和有限的产量过程中幸存下来。

SiGe工艺基本上是建立在现有的半导体工艺方法(如Si CMOS)上，通过在Si衬底上沉积一层薄的Ge。根据特定工艺的器件特性，Ge层的厚度通常是渐变的，以控制寄生电容和电感并优化高频性能。

由此产生的化合物半导体材料的载流子迁移率是标准Si的两到三倍，同时保持标准Si CMOS加工和材料相对较低的成本。高载流子迁移率对某些类型的晶体管结构特别有利，特别是hbt。在SiGe材料中形成深沟槽，以实现高质量无源元件(如电容器)所需的隔离。即使与GaAs相比，SiGe处理的支持者，如IBM，也承诺更低电压/更低功耗的操作，更少的低频噪声，改进的三阶拦截性能，以及集成和数字功能的巨大潜力。然而，GaAs的支持者声称，由于创建SiGe ic所需的额外处理步骤，GaAs和SiGe之间的成本差异并不是那么大，而且GaAs仍然是形成高性能无源电路元件的更好的衬底。

如果即将召开的第45届IEEE国际电子器件会议(1999年12月5日至8日，华盛顿希尔顿大厦，华盛顿特区)上的论文有任何迹象，SiGe技术有望在未来几年成为GaAs和传统Si工艺的更大威胁。IBM微电子公司的G. Freeman, D. Ahlgren及其同事将在IEDM上介绍与BiCMOS和ASIC兼容的0.18 mm SiGe工艺，为下一代SiGe器件提供见解。能够在+2.3 VDC击穿电压下生产具有90 GHz f(T)性能的hbt，在+5.5 VDC击穿电压下可以在25 GHz下实现低频性能。

此外，来自日立有限公司(日本东京)中央研究实验室的Katsuyoshi Washio及其同事的一份报告详细介绍了一种0.2 mm自对准SiGe HBT，具有6.7 ps的发射器耦合逻辑(ECL)门延迟和107 GHz的最大振荡频率(fmax)。与标准Si BiCMOS兼容，新工艺有望支持运行速度超过10gb /s的高速数据通信系统。为了减小器件间的寄生电容，采用了浅沟槽和深沟槽隔离。

来自半导体物理研究所(法兰克福，德国)的K.E. Ehwald及其同事与摩托罗拉公司(Mesa, AZ)的研究人员一起发表的一篇论文解释了如何只需要四个额外的掩膜层就可以将SiGe:C hbt添加到标准的0.25-µm CMOS工艺中，而不会改变CMOS工艺流程。由此产生的BiCMOS工艺在+3.3 VDC击穿电压下产生峰值HBT转换频率(f(T))为55 GHz和f(max)为90 GHz。

最后，C.A. King和来自贝尔实验室/朗讯技术公司(Murray Hill, NJ)的研究人员将提供一种降低SiGe处理成本的技术。他们的解决方案是以朗讯现有的0.25 mm CMOS工艺为核心的低成本级SiGebase BiCMOS技术。这种改进的低成本工艺只需要在现有工艺的基础上增加四个光刻层，并在击穿电压约为+2.5 VDC时产生峰值f(T)为51 GHz和峰值f(max)为53 GHz的自校准SiGe晶体管。

几年前，一提到SiGe技术，人们就对其在高频或高速数字电路中的实际应用表示怀疑。如今，这项技术拥有越来越多的商业产品、制造商，以及对其未来高频、高速产品的信仰者(参见下面的边栏“无线奇迹?”)。

侧边栏:无线奇迹?

一个新网站将提供基于无线技术的广泛产品清单。虽然在这些产品中找到硅锗(SiGe)器件可能还为时过早，但其他先进技术，包括砷化镓异质结双极晶体管(hbt)和双极互补金属氧化物半导体(BiCMOS)集成电路(ic)通常支持从门铃到复杂医疗设备的各种无线产品。

每年都有成千上万的新产品采用某种形式的无线技术。有些是简单的装置。其他则是复杂的系统。除了了解无线产品外，参观者还可以首先提名他们最喜欢的1999年无线产品为最佳无线产品。一旦提名被接受，从1999年12月1日到2000年1月31日在该网站开始对最佳无线产品进行投票。所有参赛作品均有资格赢得1999年世界七大无线奇迹之一，抽签将在无线研讨会上举行。展览/便携式设计会议2月在圣何塞会议中心(圣何塞，CA)。

侧边栏:名称中包含什么?

没有一家公司能比SiGe微系统公司(加拿大安大略省渥太华)更紧密地与SiGe技术联系在一起。该公司是最早宣布商用SiGe产品的公司之一，已经为许多复杂电路的行业提供支持。第一款产品是差分全球定位系统(GPS)接收器，工作频率为1.5 GHz。

最近，该公司宣布了用于2.4 ghz工业-科学-医疗(ISM)频段的PA2425单片SiGe功率放大器(PA)。高效PA是IEEE 802.11无线局域网(wlan)，蓝牙系统和HomeRF产品应用的理想选择，在2400至2500 MHz范围内提供+25 dbm典型输出功率(+24 dbm最小输出功率)，在AB类模式下具有45%的功率附加效率(PAE)。放大器在整个工作频带内的增益变化通常为±0.5 dB。反向隔离通常为32 dB，而第二、第三和第四次谐波为-40 dBc。

该放大器采用八引线塑料小轮廓封装(PSOP)外壳，其SiGe结构和热塞模垫可提供高导热性和低结温。有效的散热使放大器能够在100%占空比下工作，同时仅从单个+3.3 vdc电源汲取220 mA。集成电路(IC)包括偏置控制和下电功能。SiGe Microsystems, Inc.， 1500 Montreal Rd.， M50 IPF, Ottawa, Ontario K1A OR6, Canada;(613) 748-1334，传真:(613)748-1635，互联网:。

参考文献

1. Robb Johnson等人，“用SiGe BiCMOS技术制造180万CMOS ASIC，”IEDM技术文摘， 1998，第217-220页。

2. Jean-Olivier Plouchart, Herschel Ainspan和Mehmet Soyuer，“5.2 ghz 3.3 v I/Q SiGe射频收发器”， 自定义集成电路会议，第10.5期，1999。

这篇文章的类似版本出现在1999年10月的微波,射频杂志。