h1_key

  5G射頻芯片之所以是芯片，就是因為半導體技術;芯片系統(tǒng)與板級系統(tǒng)最大的區(qū)別，也就是因為使用到了半導體物理器件。半導體器件是芯片公司的根基所在，手機終端公司對于半導體器件的研究，讓我們感受芯片到同道相益，備受鼓舞。

  什么是半導體

  在半導體被發(fā)現(xiàn)之前，人們認為世界上的材料根據(jù)導電性分類只可以被分為“導電”和“不導電(絕緣)”兩種。按分類方法中的“相互獨立、完全窮盡”的原則看，這是對世界上材料非常完美的分類方法，那為什么還會出現(xiàn)“半導體”這一分類呢?

  一些文獻中將“半導體”定義為“導電性能介于導體和絕緣體之間的材料”，準確來講，半導體材料并不是導電的性能處于二者之中，而是導電特性可以在二者之間可控切換。這種導電特性可以在導體與絕緣體之間可控切換的材料，被稱為半導體材料。

  半導體現(xiàn)象的首次被發(fā)現(xiàn)要追溯到近200年前的1833年，電子之父法拉第發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨溫度變化特性不同于一般金屬，溫度可以實現(xiàn)對硫化銀材料導電性的可控，這是人類首次觀察到半導體現(xiàn)象。

在1833至1945年這100多年時間里，物理學家對這一現(xiàn)象進行了深入研究。20世紀初的物理學革命為半導體科技奠定了堅實的理論基礎，而材料生長技術為半導體科技奠定了實現(xiàn)中的物質基礎。

  摻雜：半導體材料的實現(xiàn)基礎

  半導體導電可控特性的實現(xiàn)是通過“摻雜(Doping)”來實現(xiàn)。

  以硅原子為例，每個硅原子最外層有4個電子，在本征硅材料中，每個硅原子與周圍的4個硅原子形成共價結合的穩(wěn)定結構，從而沒有可自由流動的自由載流子，不能形成電流。

  這時，如果對本征硅材料進行摻雜，如果加入最外層有5個電子的磷元素，這時在形成4個共價鍵之外，還會多出一個自由移動的電子，這個電子就是一個自由載流子，當加上電壓之后，摻雜材料就可以導電。自由移動的電子是半導體材料中的第一種載流子。

同理，如果摻雜材料為最外層只有3個電子的硼元素，這時會出現(xiàn)一個電子的空缺，電子在不斷填滿這個空缺的過程中，也可以使材料導電。由于電子不斷填充這個空缺的過程不易描述，人們就發(fā)明了一個新的表征空缺的方式，即定義一種新的載流子來表示這個空缺，這種新的載流子就是半導體中的第二種自由載流子：空穴。

  半導體的摻雜工藝實現(xiàn)了對半導體內(nèi)自由載流子的控制。

p-n結：簡單的半導體器件

圖：p-n結的基本結構

  利用半導體的摻雜特性，就可以設計出簡單的半導體器件：p-n結。p-n結英文名稱是p-n Junction，因為有正負兩個端口，所以又稱為p-n結二極管。

  p-n結是在同一襯底上同時進行p型和n型摻雜，并使之交界，這樣在二者交界處就形成耗盡區(qū)(也叫空間電荷區(qū))，從而形成p-n結。

  p-n結的一個重要特性就是單向導電特性。當p型半導體側加入正電壓時，p型半導體中的空穴在外加電場作用下向右側移動。當外加電場大于p-n結的內(nèi)建電場時，空穴就會跨越過耗盡區(qū)，從而進入n型半導體區(qū)，之后在電場作用下進入電源負極，形成電流。

  當n型半導體側加入正電壓時，n型半導體中的自由載流子電子向右側移動，拉大內(nèi)建電場寬度，使自由載流子更難跨越耗盡區(qū)，無法形成電流。

圖：正偏及反偏下的p-n結

  從“晶體管”開始，直到改變世界

  只是用p-n結二極管，還不足以設計集成電路。

  在半導體物理的基本原理被人類掌握之后，人類就開始用半導體材料設計制造一些特殊器件。比如：

  利用半導體導電性能與溫度之間的關系，可以設計出熱敏電阻，來感知溫度變化;

  利用有些半導體導電性能與光照之間的關系，可以設計出光敏電阻，來感知光的變化;

  利用有些半導體光電轉換特性，可以實現(xiàn)電能和光能的相互轉化，設計出發(fā)光器件，或者設計出光伏發(fā)電器件;

雖然利用半導體材料“導電性能可控”這一特性，可以在很多領域設計出重要應用的器件。不過這個時期的半導體還是很難和之后改變世界的“集成電路”聯(lián)系起來。真正建立起“半導體材料”與“集成電路”之間聯(lián)系的，是1945年被發(fā)明的“晶體管”。

  早在1899年，人類就實現(xiàn)了無線電信號的跨英吉利海峽穿越。但在晶體管被發(fā)明之前，電子電路系統(tǒng)一般由真空電子管設計。真空電子管體積大、功耗大、發(fā)熱厲害、壽命短，并且需要高壓電源，所以真空電子管所設計的電路一般只用在政府、軍事部門中。真空管極大地限制了電路系統(tǒng)的大規(guī)模應用。

圖：20世紀初，RCA公司采用電子管設計的放大器

  為了克服真空電子管的局限性，第二次世界大戰(zhàn)后，貝爾實驗室加緊研究，探討用半導體材料制作放大器件的可能性。

  1945年秋天，貝爾實驗室成立了以肖克萊為首的半導體研究小組，成員有布拉頓、巴丁等人。他們發(fā)現(xiàn)，在鍺片的底面接上電極，在另一面插上細針并通上電流，然后讓另一根細針靠近及接觸它，并通上微弱的電流，這樣就會使原來的電流產(chǎn)生很大的變化。

  微弱電流少量的變化會對另外的電流產(chǎn)生很大的影響，這就是 “放大” 作用。利用這種特性，半導體器件也就可以被用于制作放大器。

  在為這種器件命名時，布拉頓想到它的電阻變換特性，于是取名為Trans-resistor(轉換電阻)，后來縮寫為Transistor，中文譯名就是晶體管。1956年，肖克萊、巴丁、布拉頓三人，因發(fā)明半導體晶體管同時榮獲諾貝爾物理學獎。

圖：半導體晶體管的發(fā)明者，左起：布拉頓，肖克萊，巴丁

  在直觀理解上，可以將晶體管理解成一個水龍頭：

  ●晶體管一共有三個極，對于FET器件，一般稱為源、漏、柵(S、D、G)，對應水龍頭的進水口、出水口、龍頭把手;

  ●晶體管源極(Source)流入電子，對應水龍頭進水中流入水源;

  ●柵極(Gate)是晶體管的核心，控制電流的大小，對應于龍頭把手是水龍頭的核心，決定水流的強弱;

圖：典型的晶體管構造(JFET)，及與水龍頭的等效

  基于以上原理，晶體管就可以實現(xiàn)信號的放大。即在柵極加一個微小信號，只要能控制住晶體管漏極到源極這個通道的通斷，就可以控制漏源之間電流的大小。

  晶體管還可以實現(xiàn)數(shù)字電路里“0”、“1”基本信號的表征。比如可以定義“水龍頭”打開狀態(tài)為“1”，關閉狀態(tài)為“0”。成千上萬個“水龍頭”放在一起，就可以進行數(shù)字邏輯運算。

  晶體管(Transistor)是集成電路領域中最為重要的基本器件，沒有之一。有了這個基本器件，才有了現(xiàn)在改變世界的集成電路。我們經(jīng)?？吹降腇ET、HBT、pHEMT等器件名稱中的最后一個字母“T”，均是“Transistor”的縮寫。

在半導體器件里，晶體管也有多種變形，材料也多種多樣，一些縮寫也讓人眼花繚亂。不過萬變不離其宗，只要找到晶體管中水龍頭的“進水口”和“出水口”，理解清楚“龍頭把手”的工作原理，就可以將這種類型晶體管分析清楚。

  晶體管的分類

  過去近100年，半導體晶體管的發(fā)展過程中，先驅科學家和工程師們不斷嘗試各種器件結構與器件材料，來滿足不同領域集成電路特性的需求。產(chǎn)生出各種各樣的半導體器件。

  半導體本來就抽象、難以捉摸，紛雜的名稱和簡稱也使得半導體更加高深莫測，給非半導體出身的電子行業(yè)從業(yè)者帶來不少的困擾。

  晶體管的分類主要可以從兩個方面下手理解，分別為器件結構，和器件材料。以下為常見的結構和材料類型。

  晶體管的材料和結構互為獨立，理論上可自由組合。比如可以設計在硅基的BJT器件，也可以設計在砷化鎵基的BJT器件。

  對一個器件的準確描述，應該將材料與器件種類同時說明，比如對于5G手機射頻PA中使用的HBT器件，準確名稱應該是GaAs HBT器件。不過由于大家平時工作中的約定俗成，叫法經(jīng)常加以簡化。

比如在手機射頻領域，大家一般用HBT，或者GaAs來簡稱GaAs HBT;在電源控制領域，大家用SiC來簡稱SiC MOSFET，用GaN來簡稱GaN FET類器件。這種簡稱在某個細分行業(yè)領域是有效的，但在跨出本行業(yè)交流時可能會引起誤解，必要時需要加以注意。

  以結構分類半導體

  從結構上區(qū)分，半導體器件主要分為BJT和FET兩種類型。

BJT的全稱是是Bipolar Junction Transistor，雙極型晶體管。FET的全稱是Field Effect Transistor，場效應晶體管。二者都可以實現(xiàn)晶體管的放大特性。

  BJT器件

  基本結構

  BJT器件由兩個背靠背的p-n結構成。由于用于電流傳輸?shù)膒-n結包含電子與空穴兩種載流子，所以BJT器件取名為“Bipolar(雙向/雙極)”Junction Transistor。

  雖然BJT由兩個p-n結構成，但不是任意兩個背靠背的p-n結二極管都可以構成BJT。BJT器件對于各區(qū)的摻雜濃度以及厚度有著精確的要求。BJT器件中發(fā)射極需要重摻雜，基極需要較重摻雜，并且寬度極薄，以使大量的電子與空穴可以穿越。

圖：BJT器件的基本結構(npn管為例)

  BJT器件制備

  在集成電路制備中，BJT器件先通過在n型外延中形成p型擴散，形成基極;再進行n型擴散，形成發(fā)射極，從而實現(xiàn)緊鄰的兩個p-n結。

  通過圖中可以看到，在BJT器件中，電流在垂直方向進行流動，所以集成電路中的BJT器件是垂直器件。

圖：BJT器件截面和簡化模型

  HBT：一種特殊的BJT器件

  HBT的全稱是Hetero Junction Bipolar Transistor，中文名為異質結雙極型晶體管。HBT是一種特殊的BJT器件。

  HBT對普通BJT的改進是在發(fā)射極和基極之間采用不同的半導體材料，形成異質p-n結，來抵擋住基極載流子向發(fā)射極的注入，這樣就可以使發(fā)射極中更多的載流子流入集電區(qū)，從而提高集電極到發(fā)射極之間的電流。外圍觀察到的現(xiàn)象是基極的電流變小了，集電極電流變大了，基極電流對集電極電流有了更強的控制能力。

  常見的HBT器件有GaAs HBT器件、SiGe HBT器件。下圖為典型的GaAs HBT器件橫截面圖。

圖：GaAs HBT器件截面和簡化模型

AlGaAs/GaAs是研究最廣泛，應用最廣泛的異質結系統(tǒng)。5G射頻PA中所使用的GaAs HBT，就是此種類型的異質結HBT。在AlGaAs/GaAs異質結HBT中，基極p+ GaAs層與發(fā)射極n+ GaAs中間，注入了n型Al0.3Ga0.7As發(fā)射區(qū)薄膜，從而形成了基極與發(fā)射極之間的異質p-n結。

  外延層：HBT器件的關鍵材料

  在HBT器件的結構中，可以看到HBT器件截面由外延層、襯底兩部分構成。

  在集成電路中，晶圓制備包含襯底制備和外延工藝兩大環(huán)節(jié)。襯底(Substrate)是由半導體單晶材料制造的晶圓原片，襯底可以直接進入晶圓制造環(huán)節(jié)生產(chǎn)半導體器件，也可以進入外延工藝，生長完外延層后，再進行半導體器件制造。

  外延(Epitaxy，簡稱Epi)是指在單晶襯底上生長一層新單晶的過程，由于是在襯底上延伸生長，所以被稱為“外延”。外延層一般只有幾微米厚，外延出來的新單晶可以和襯底是同一材料，也可以是不同材料。

  外延工藝解決了器件只能使用一種襯底材料的問題。使器件不同區(qū)域使用不同材料成為可能，極大地增加了器件設計的靈活性。對于HBT器件，由于需要設計AlGaAs/GaAs的異質半導體p-n結，就需要使用外延層工藝將不同材料及摻雜的半導體材料層設計出來。

  通過不同外延層的設計，還可以對HBT器件的特性進行調(diào)整。HBT器件的性能依賴于器件中發(fā)射極、基極以及集電極的厚度及摻雜濃度曲線，這些數(shù)據(jù)都是在外延層的設計中進行調(diào)整。

  在HBT生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈運行中，一般由襯底廠商生產(chǎn)出GaAs襯底，再交由外延廠商生長外延層，最后交由代工廠生產(chǎn)出HBT器件。由于外延層材料中半導體器件的材料參數(shù)已確定，所以外延層的生長是HBT器件生產(chǎn)的關鍵步驟。

圖：GaAs HBT器件產(chǎn)業(yè)鏈流程

  FET器件

  FET器件的全稱是Filed Effect Transistor，中文名是場效應晶體管。晶體管名稱前面的Filed Effect(場效應)指的是用電場(Electric Filed)來控制半導體內(nèi)電流流動的器件。

  FET的思路非常簡單直接，在一個經(jīng)過摻雜的半導體材料(如n型)兩邊，加上另一種摻雜的半導體材料(p型)，通過控制p型摻雜上的電壓，就可以控制n型溝道的夾斷或者導通，就達到了控制電流的目的。FET的工作原理，更加像水龍頭了。

  在FET器件中，由于參與導電的只有一種載流子(如n型溝道FET器件中的電子)，這與BJT器件有電子與空穴均參與導電有很大的不同。所以最早的FET器件又叫Unipolar Transistor(單極晶體管)，以強調(diào)這種單一載流子導電特性。

  在n溝道FET器件中，有三個極，分別是提供電子的源極(Source，S極)，流出電子的漏極(Drain，D極)，以及控制溝道的柵極(Gate，G極)。

圖：FET器件的原理示意

  相比于BJT器件復雜的p-n結運行理論，F(xiàn)ET器件的概念簡單直接，“溝道”和“夾斷”，非常符合人們的直覺，所以FET的理念在BJT商用之前就被提出來。

在1926年J. E. Lilenfeld申報的專利文件中，最早提出了FET的理念[1]。比1947年貝爾實驗室的肖克利團隊發(fā)明BJT器件還要早21年。但由于當時工藝所限，F(xiàn)ET器件只存在了前期科學家們腦中的概念之中。一直到1953年，得益于工藝進步，F(xiàn)ET器件才被真正生產(chǎn)出來。第一個被生產(chǎn)出來的FET器件是JFET(Junction FET)器件。

  JFET

  JFET是首個被正式生產(chǎn)出來的FET器件。因為名稱中有“Junction，結“，所以JFET的工作中也利用到了p-n結特性。

圖：JFET的構造及工作原理

  JFET由肖克利團隊于1952年首次提出并加以分析。在JFET中，所加的柵電壓改變了p-n結耗盡層寬度，進而改變了源、漏極之間的電導。

  經(jīng)過多年工藝進步，JFET的結構也有了變化，下圖為現(xiàn)代的JFET結構，雖然在物理外觀與最早的JFET有些不同，但仍然是利用電場控制柵極p-n結，等效于最早的肖克利結構。

圖：現(xiàn)代的外延層JFET器件結構

  MESFET

  MESFET的是Metal-Semiconductor FET的縮寫，中文名是金屬-半導體接觸場效應晶體管。MESFET是利用金屬與半導體接觸的特性開發(fā)的晶體管。JFET與MESFET的結構比較如下。

圖：JFET與MESFET的結構對比

  MESFET的工作原理與JFET類似，唯一不同點是用于控制溝道夾斷與否的并不再是p-n結，而是金屬-半導體結(簡稱金-半結)。

  金屬-半導體接觸是在半導體理論研究中非常重要的研究，在許多半導體器件中都有廣泛的應用。金屬-半導體接觸最早始于1874年半導體物理理論的建立時期，1938年，Schottky(肖特基)完成了金屬-半導體勢壘理論，完成了理論體系。于是，形成肖特基勢壘的金屬-半導體接觸又叫肖特基接觸，由此開發(fā)的二極管叫肖特基二極管。除了肖特基接觸外，金屬與重摻雜的半導體接觸還可以形成歐姆接觸，這是所有半導體器件流入和流出所必須的。

商用產(chǎn)品中被廣泛使用的MESFET器件是GaAs基MESFET，得益于GaAs的電子輸運特性，GaAs MESFET有良好的射頻性能，是現(xiàn)在單片微波集成電路(MMIC)的核心。

  HEMT及pHEMT

  HEMT的全稱是High Electron Mobility Transistor(高電子遷移率晶體管)。HEMT最早由日本Fujitsu公司于1979年發(fā)明。HEMT器件的想法是，利用不同半導體材料異質結的特性，在接合面上聚集大量的電子，形成一種名叫“二維電子氣(2DEG)”的高移動層，達到更好的器件性能。HEMT器件在高頻毫米波領域、低噪聲領域有著不可替代的應用。

  因為利用到了異質結，所以HEMT又被稱為異質結FET (Heterostructure FET，HFET)。下圖為HEMT器件的典型架構。

圖：HEMT器件的典型結構

  通常情況下，異質結接觸表面會存在晶格失配，這個失配會影響到器件性能，也影響到更大帶隙電壓材料的選取。于是就有了一種改進型的HEMT器件：pHEMT。

  pHEMT器件的全稱是Pseudomorphic HEMT。Psedomorphic的意思是假的、贗配的，pHEMT器件在異質結轉換時加入薄的“贗晶層”，用于將兩邊的晶格拉向匹配。

圖：HEMT與pHEMT器件結構示意圖

  由于出色的射頻性能，pHEMT器件在高性能射頻微波領域應用廣泛。尤其是GaAs pHEMT器件，是微波低噪聲放大器、微波毫米波電路的重要半導體工藝。

與HBT器件相同，HEMT及pHEMT器件的特性強烈依賴于材料特性，在HEMT/pHEMT產(chǎn)業(yè)鏈中，同樣需要外延層廠商生產(chǎn)出相應的材料外延，再由代工廠進行器件加工。

  MOSFET

  MOSFET結構毫無疑問是當今集成電路領域最為核心的結構。

  MOSFET縮寫自Metal-Oxide-Semiconductor FET(金屬-氧化物-半導體 FET)，MOSFET是MIS(Metal-Insulator-Semiconductor，金屬-絕緣層-半導體)器件的一種特殊結構。下圖為典型MOS結構，以及MOSFET的示意圖。

圖：MOS結構及MOSFET器件結構

  在MOSFET之前，已經(jīng)有了平面結構的MESFET器件與垂直結構的BJT器件，但這兩種電路都無法適應于大規(guī)模電路的設計：

  ●垂直結構的BJT器件無法做到有效集成;BJT器件的工作機理使得器件無法有效關斷或打開;Base端的電流也使BJT器件有較大的工作電流

  ●MESFET雖然是平面器件，解決了集成的問題，但MESFET器件所使用的金屬-半導體結會鉗位住過大Gate電壓， 造成Vg只能在一定范圍內(nèi)使用