硅王國(guó)在被蠶食
硅半導(dǎo)體長(zhǎng)期以來(lái)一直是成本和效能的折衷選擇,用硅做芯片成本低,但也有不足,尤其在高速和高靈敏度設(shè)計(jì)中更為明顯。
GaAs是一種有吸引力的材料,能生產(chǎn)更快的電路,因?yàn)樗?b>電子遷移率要高得多。妨礙GaAs等挑戰(zhàn)者發(fā)展的唯一問(wèn)題是成本,由于制造費(fèi)用相對(duì)昂貴,盡管作了許多努力,GaAs仍不能取代硅的統(tǒng)治地位,只是在硅性能所不能達(dá)到的場(chǎng)合有一些應(yīng)用。
現(xiàn)在有許多新競(jìng)爭(zhēng)者希望能夠蠶食硅的王國(guó)。轉(zhuǎn)向新材料的動(dòng)力來(lái)自大功率射頻器件和光電產(chǎn)品,由于存在間接帶隙使利用硅材料來(lái)生產(chǎn)高效發(fā)光二極管(LED)和激光器非常棘手。在實(shí)驗(yàn)室里有一些硅發(fā)光的成果,但到目前尚未到達(dá)商品生產(chǎn)階段。
在硅材料中添加另一種半導(dǎo)體材料以改善硅晶體管和電路的性能是一種途徑,SiGe就是最普遍的新材料。
SiGe可以在硅圓片上外延生長(zhǎng),這將允許工藝設(shè)計(jì)師們用傳統(tǒng)的硅工藝技術(shù)控制帶隙、能帶結(jié)構(gòu)、有效質(zhì)量、電子遷移率和眾多其它特性。
美國(guó)Atmel公司、IBM公司、加拿大的SiGe Microsystems 公司、奧地利Mikro Systeme 公司等已具備批生產(chǎn)SiGe的工藝。上個(gè)月IBM公司宣布了一項(xiàng)倡議,鼓勵(lì)全世界的公司和大學(xué)開(kāi)發(fā)新型SiGe通信用芯片。IBM公司的無(wú)線產(chǎn)品部主任Kenneth Torino說(shuō)：“通過(guò)幫助更多的公司和大學(xué)比較容易地采用這項(xiàng)技術(shù)做原型設(shè)計(jì),我們打算為現(xiàn)在和未來(lái)的用戶建立一個(gè)堅(jiān)實(shí)的IBM公司SiGe技術(shù)基礎(chǔ)�！�
問(wèn)題已不在于SiGe是否會(huì)是未來(lái)的半導(dǎo)體材料,而在于如何以最經(jīng)濟(jì)、有效的方式利用。在2001年射頻電路技術(shù)研討會(huì)上,Saul Research 的Peter Saul教授對(duì)兩種商用SiGe工藝各自在無(wú)線電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。一種是以CMOS工藝為基礎(chǔ)的SiGe雙極器件,另一種是純雙極的高性能器件。Peter Saul教授認(rèn)為：“結(jié)論尚不明晰,每一種方式都有其相對(duì)優(yōu)勢(shì)。BICMOS方式達(dá)到低噪聲放大器、除法器和電壓控制振蕩器3GHz以上頻率工作,有可能實(shí)現(xiàn)芯片上系統(tǒng)集成,但與雙極方法的結(jié)果相比,性能卻受到影響�！�
其它的混合物對(duì)模擬電路設(shè)計(jì)也具有吸引力。像氮化鎵（GaN)和碳化硅(SiC)等寬帶隙材料是新生力量。這些材料的研究受到大功率器件需求的驅(qū)動(dòng),基站、通信鏈路和相控陣等技術(shù)應(yīng)用都得益于高功率、高性價(jià)比器件。
GaAs和有關(guān)的化合物材料從絕對(duì)功率來(lái)講已經(jīng)到達(dá)飽和水平,提高的唯一途徑是與其它化合物結(jié)合,這將使制造成本提高,但新材料的飽和點(diǎn)要高很多。
SiC和GaN能經(jīng)受噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的高溫,在極冷的外層空間能夠堅(jiān)持較長(zhǎng)時(shí)間,并能發(fā)射出其它材料發(fā)不出的強(qiáng)光。
在工程師們尋找使用新材料的最佳途徑同時(shí),許多器件已經(jīng)被制造出來(lái)。SiC和 SiC:Ge 異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙極晶體管(HBT)已經(jīng)被一個(gè)研究小組制造出來(lái),得出的結(jié)論是,在基極加鍺可以將管子的電流增益和厄爾利電壓提高33%。這一改善可歸因于能帶補(bǔ)償,從而提高了發(fā)射極-基極載流子注入效率。
