漫谈SiGe芯片在半导体领域的地位 未来能否取代硅和GaAs?

比GaAs(砷化镓)便宜,带隙调整比硅更灵活,SiGe(硅锗)在电路设计中的位置是什么?

  比GaAs(砷化镓)便宜,带隙调整比硅更灵活,SiGe(硅锗)在电路设计中的位置是什么?

  当前,SiGe是一种很受欢迎的半导体,自90年代以来,它的产量猛增,但这种半导体并不是一夜之间就成功的,事实上,硅(Silicon)和锗(germanium)的结合是偶然发现的。

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SiGe芯片成为IBM集成电路中使用的CMOS晶体管的变体。图片由IBM提供

  SiGe的无意发现

  上世纪七八十年代,IBM研究员伯纳德·迈尔森博士不小心把他刚用氢氟酸清洗过的一小块硅掉在了地上,当他用水冲洗硅片以清除地面上的污垢时,他注意到硅片是防水的。

  后来,迈尔森发现,当硅在氢氟酸中被净化时,会形成一层保护性的氢层,从而消除了将硅加热到1000℃以去除污染氧化物的需要。在600℃时,氢层爆炸并产生氧化物。这一发现使IBM的科学家能够在550℃下生长SiGe。

  SiGe的优势

  SiGe技术的偶然发现和商业化已经取得了长足的进步,从那时起,电路设计者发现这种材料在功耗和性能方面比硅更有效,同时也提高了器件的频率和振荡能力。

  通过利用SiGe技术,电路设计者可以从一个比硅更小的经济有效的解决方案中获益。

  根据MACOM的说法,SiGe的其他一些好处包括:整体组件成本低、节能和高性能、集成的多种可能性、高电子迁移率、小尺寸、高频振荡能力等。

  由于SiGe的电子迁移率比硅快,SiGe在消费电子、汽车应用、电信、计算机技术和航空航天设备中很常见。

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IBM在2002年发布了其第100000000个SiGe芯片。图片由IBM提供

  SiGe的关键应用

  NXP和SiGe整流器的产品经理费舍尔解释说,某些行业,比如汽车行业,需要一个能够在高温下工作的半导体,同时在小型化、性能或法规遵从性方面提高效率。

  费舍尔说:“正如我们在其他功率半导体解决方案中所看到的,大体积硅器件难以提供当今一些高性能电子系统所要求的性能和热稳定性。我们需要的是一种先进的高效、热稳定性和节省空间的新技术。”

  许多设计师认为SiGe是推动汽车、电信和太阳能产业创新的“新技术”的重要材料。

  汽车

  作为SiGe在汽车设计方面取得长足进步的一个例子,让我们来评估Nexperia最近发布的SiGe整流器。

  Nexperia的SiGe整流器系列具有120 V、150 V和200 V反向电压。该公司将这些SiGe整流器描述为设计师的游戏改变器,因为它们可以在热失控开始前承受175摄氏度,从而提供安全的操作空间。

  设计者可以利用这种热容量来提高设计效率,而不必依赖快速恢复二极管来处理高温。

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SiGe整流器。图片由Nexperia提供

  电信

  由于SiGe具有比硅更低的饱和电压,因此可以用于大电流应用。Maxim Integrated在一篇关于SiGe技术如何增强RF前端性能的文章中阐述了这一点。

  Maxim将其SiGe GST-3双极晶体管与硅GST-2晶体管进行了比较,显示了增益与噪声的差异。在下图中,您可以看到GST-3比GST-2具有更高的性能和更低的噪声。

  当使用SiGe时,可以处理更大、更高质量的信号范围。

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SiGe双极晶体管显示出高增益和低噪声。

  太阳能

  SiGe的生长方式也有助于SiGe的性能和多功能性,NASA已经证明了这一点。

  NASA的研究人员发现,通过在蓝宝石衬底上用晶体晶格生长法生长SiGe,他们可以用同一片晶片在另一侧生长一层氮化镓或氮化铟镓。最终的结果是:一个太阳能LED显示屏。

  太阳能应用通常具有低能量转换率(通常为15%到20%),但对于SiGe太阳能电池,这个数字可能会提高到30%-40%的能量转换效率。使用单晶SiGe还可以将太阳能电池板系统的使用寿命从25到30年提高到大约80年。

  值得注意的是,大多数用于太阳能应用的材料比SiGe更昂贵,也不太丰富。

与现有工艺相比,NASA的专利技术可开发晶体对准的半导体晶圆。图片由NASA提供.jpg

与现有工艺相比,NASA的专利技术可开发晶体对准的半导体晶圆。图片由NASA提供

  SiGe的地位权衡

  虽然SiGe在需要更大电子迁移率的应用中很有用,但它确实具有设计者应该注意的权衡。例如,硅在极端高温下工作的设备中仍然占据主导地位,尽管SiGe比砷化镓(GaAs)便宜,但它比硅贵。

  虽然硅和锗是丰富的材料,但在实验室中进行组合时,它们的成本确实很高。幸运的是,近年来,SiGe的日益普及使得它更容易使用,特别是在汽车、电信和太阳能环境的组件中。

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