关于SiGe HBT 技术和应用的未来分析和介绍

在前几期的微信文章中，我们谈到了欧盟项目DOTSEVEN，一个基于SiGe HBT工艺开发，技术以及应用的工程项目，历时4年多，其实在这个项目之前已经完满结题的DOTFIVE项目，以及围绕着SiGe HBT 项目一点都不少，比如CT209-RF2THZ, TRANTO, UlTIMATE, DIFFERENT等, 而且项目的花费有些在上亿人民币的规模。欧盟大力发展基于SiGe HBT技术和应用十多年了，有其根本原因，在这篇文章中，简单谈谈自己的看法。 

SiGe HBT vs III-V &CMOS: 

基于SiGe HBT 技术的应用，比较多的在高速高频的领域。在这里，不得不提及传统上使用的III-V材料的器件，比如最新的技术InP HBT  fT , fmax分别达到0.5， 1.1Thz (emitter 宽度130nm, 200nm), 相比DOTSEVEN项目中取得的器件性能， 是有优势的。同时，不断崛起的先进节点，比如28nm,14nm, 7nm等CMOS传统工艺在器件性能上的突飞猛进。 

对于III-V族，主要问题在于集成这块，不能和当前的CMOS工艺兼容，节点的缩进由于Surface recombination 的原因非常不给力，同时工艺不稳，模型不准导致良率偏低，使费用大步提升。那么对于CMOS，在高频和高速应用碰到什么问题呢。 图1显示，通过先进的节点，CMOS器件可以达到非常高的性能。

然而，在实际的电路中，晶体管连接到其他晶体管，和器件连接一起的时候，或多或少附带电容，电感和电阻负载。在图2b中显示，CMOS在实际电路中的性能比SiGeC HBT器件下降的幅度大很多。 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gm和相应的驱动能力。换句话说，具有相同的gm和输入电容比的器件具有同样的fT，但拥有更高gm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 noise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。 

我们用上述理念同时比较了市场上非常热门的方向，比如CNFET，Nanowire, FinFET等, SiGe HBT相对来说是gm是最优秀的。按照最新的TCAD仿真预测，SiGe HBT roadmap 目前的极限在ft 1THz, fmax 2 THz. 因此，在很长一段时间内能满足高频高速的应用需求。  

2. SiGe HBT 的应用领域

太赫兹或亚毫米频率范围，大致定义为从300 GHz延伸到3太赫兹。从欧盟项目的开发来看，主要面对三个方向，高速传输，雷达，影像和传感领域等。

在高速传输应用这块，相比CMOS工艺的电路，SiGe HBT的实际结果还是非常鼓舞人的，在下图中红色框中，都是基于SiGe HBT工艺实现的应用，没有打框的基于CMOS工艺。

在雷达应用这块， 除了早已上市的77-78，79-81GHz雷达，主用于ADAS。同时94GHz雷达应用也已成熟，用于恶劣天气，机场地面监测等。 同时最新开发的应用，实现的频率已经达到240GHz, 60GHz带宽，2.57毫米的分辨率。

在映像和传感这块， 目前已经在医疗的THz -CT 应用方向获得突破，工作在490GHz, 60dB ， 具有3D 映像功能。在雷达材料探伤这块，也已经有实际的设备和产品上市。

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的工艺，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，希望此篇文章对将来国内SiGe HBT产业发展有参考作用。