專欄文章

射頻前端系統需要使用半導體製程來實現所需的積體電路。本文讓我們一起來看看常用的半導體製程有哪些，與這些製程的有甚麼差異。

應用射頻積體電路(radio-frequency integrated circuit，RFIC)的半導體製程我們可以簡單分為兩大系統，分別是矽基(silicon-based) 半導體與化合物(compound)半導體。矽基半導體製程技術就是以矽為基板的材料，最常見的就是互補式金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)製程。CMOS製程積體電路應用範圍非常廣泛。例如：電腦或手機裡的處理器、記憶體等，皆是使用CMOS製程製作。化合物半導體則是以兩種以上元素構成，常見的有砷化鎵(GaAs)、磷化銦 (InP)、氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)等。

砷化鎵與矽^[1]

    矽基半導體製程發展歷史長久、應用範圍廣，且具有高整合度、低成本、高良率等特性。而相較於矽，化合物半導體製程中的砷化鎵仍有其優點。砷化鎵材料具有較高的電子遷移率與電子飽和速度，非常適合用於高頻電晶體。此外砷化鎵具有較高的能帶隙 (energy band gap)，可以達到半絕緣的基板 (substrate)。其電晶體可以有較高的耐電壓，基板上被動元件也可以有較低的損耗。化合物半導體中可以實現不同能帶隙的材料間的良好異質接面，用於改善電晶體的特性。

微波/毫米波電晶體

GaAs製程電晶體主要可以分為金屬半導體場效電晶體(metal-semiconductor field-effect transistor，MESFET)、高電子移動率電晶體 (high electron mobility transistor，HEMT)與異質接面雙極性電晶體(heterojunction bipolar transistor，HBT)。

GaAs HBT與傳統的Si雙極性接面型電晶體(bipolar junction transistor，BJT)原理類似。差別在於利用異質接面有效提升電流增益(current gain)。因此可以達到良好的高頻特性。HBT元件尺寸小，功率密度高，常用於6 GHz以下無線通訊的功率放大器設計，如行動電話、無線區域網路(wireless local area network，WLAN)。MESFET的通道是以摻雜(doping)的GaAs來做為電晶體的通道(channel)，藉由前述GaAs材料本身優異的特性而達到微波頻段操作。

它是利用常見於10 GHz以下的放大器與開關(switch)的設計，但MESFET本身特性限制，不足以應用於毫米波電路設計。HEMT與MESFET同為場效電晶體，但HEMT的通道是以異質接面在未摻雜的GaAs形成二維電子氣 (two-dimensional electron gas)，在通道內的電子遷移率非常高，因此GaAs pHEMT在毫米波可以達到優異的特性。

矽基的製程主要為CMOS製程，其電晶體是金屬氧化物半導體場效電晶體(metal oxide semiconductor field-effect transistor，MOSFET)，製程中同時會提供n型(n-type)與p型(p-type)電晶體，因此稱為CMOS。矽基製程還可以製作BJT，亦可在矽基板上更可以利用Si與SiGe的異質接面來製作異質接面雙極性電晶體(heterojunction bipolar transistor，HBT)。SiGe HBT有非常優異的高頻特性，且可以在同基板上實現SiGe (鍺化矽) HBT與CMOS電晶體，稱之為SiGe BiCMOS製程。可以利用HBT來設計高頻電路，CMOS來設計數位電路，因此過去曾被視為適合用於整合毫米波、類比與數位電路的系統單晶片(system on chip，SOC)開發。

早期CMOS電晶體在毫米波的特性較差，但是由於大多數的半導體晶片 (主要為數位晶片)是以CMOS製程來製作，因此CMOS製程的發展非常快速。隨著CMOS電晶體的尺寸縮小，其在毫米波特性也越來越好。因此現在應用於5G毫米波積體電路的開發大多以CMOS製程為主，也有部分採用SiGe HBT/BiCMOS的製程。

 參考文獻

[1]  本城和彥 原著，呂學士 編譯，微波通訊半導體電路，全華科技圖書股份有限公司。