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Daniel McNamara/安捷伦科技公司
无线半导体分部全球产品经理 尽管消费者可能对手机中的功放器技术并没有偏好，但安捷伦相信，它选择开发E-pHEMT技术，为手机制造商提供了功率加效率(PAE)、低压操作和高可靠性等独特优势。 安捷伦科技的E-pHEMT (增强模式伪形态高电子迁移率晶体管)功放器(PA)模块的销售量已经突破1000万。GSM模块和CDMA模块每月的销售总量大约为200万。尽管消费者可能对手机中的功放器技术并没有偏好，但安捷伦相信，它选择开发E-pHEMT技术，为手机制造商提供了功率加效率(PAE)、低压操作和高可靠性等独特优势。这些特点给最终用户带来了直接的好处，如提高电池使用时间，或使用相同的电池容量为更多的手机功能供电(如流行的集成摄像模块)。 E-pHEMT的前期开发始于20世纪80年代，当时，惠普实验室(也就是现在的安捷伦实验室)是把它作为数字信号处理中集成电路制造工艺来开发的。之后在技术开发过程中，E-pHEMT表现出可望能够为RF应用提供拥有尖端性能、高质量和价格极具竞争力的产品。由于这一工艺在功放器模块中表现出非常高的性能，因此安捷伦投资1亿美元在科罗拉多州柯林斯园区建立了一家6英寸晶片制造厂，专门生产E-pHEMT. 从6英寸制造工艺入手带来了许多挑战，因为设备的供应商非常少，但似乎有一点很明确，即为在长期内在RF半导体市场、特别是在功放器市场中保持竞争力，拥有6英寸工艺是必不可少。从2002年开始，柯林斯制造厂已经开通，并投入大批量生产。 制造工艺详细情况 一般来说，与异质结双极晶体管(HBT)相比，由于其高电流和低泄漏性能需要多个薄层，E-pHEMT一般在某些外延方面要求更高的控制水平。因此，安捷伦一直率先采用分子束外延(MBE)反应堆控制层的厚度和成分，并采用其它外延生成技术。E-pHEMT门限灵敏度还取决于外延生长参数的数量，这意味着必须迅速开发原位监测方法和生长后晶片检定方法。 能否良好地控制门限Imax和泄漏电流取决于Schottky栅极触点的工艺控制。由于E-pHEMT是一种表面通道设备，表面特点尤为重要，特别是III-V材料本身没有保护性的氧化物。 没有正确清洁的表面残余物会改变晶体管门限和泄漏电流。例如，清洁时用水过多很容易会腐蚀表面层，导致低Imax和低门限电压。蚀刻和灰烬中的离子轰击会降低信道电流，提高泄漏电流。对小型数字晶体管，通过其它设备参数的部分折衷，可以实现门限的一致性。对功放器，在指定门限电压范围内同时实现低泄漏电流和高Imax 至关重要。III-V晶片的蚀刻、清洁和保护及栅极电极形成序列构成了安捷伦专有的工艺，安捷伦认为，这一工艺对E-pHEMT技术的成功至关重要。 在开发E-pHEMT过程中，挑战之一是GaAs FET设备在历史上的泄漏电流性能一直较差，它通常要求采用漏极开关，这提高了电路复杂性和成本。安捷伦E-pHEMT PA消耗的漏极源电流(Idss)非常低(在室温时不到10 mA)，它同时采用隐埋栅极及正确晶体方向实现，并利用选择蚀刻工艺降低了第二个凹槽深度，优化了InGaAs信道。其结果，E-pHEMT泄漏不再与缺陷有关，也就是说，泄漏电流不再象许多人错误认为的那样是系统崩溃的主要指标。 性能 许多技术都是为线性放大器或饱和放大器而优化的，而E-pHEMT功放器则在线性模式(CDMA)和饱和模式(GSM)下都提供了杰出的PAE。首先，低RDSon 提供了很高的漏极效率，高增益则降低了输入驱动要求。第二，高ft和fmax 可以实现非常快速的切换，降低设备中的功耗。 其另一种优点是广泛的带宽匹配能力，这对GSM多频应用尤为重要。注意在图2中，在1710到1910 MHz的整个上方频段中，保持了输出功率和PAE。 当前的手机市场发展态势是一直在使通话时间达到最大与提高手机功能之间摇摆。当前的电池能量密度一般为400 Wh/l (每升瓦-时)，而下一代电池预计将把这一数字提高50%。实现这种改进结果所需的技术，导致手机中提供的电压从3.2 V下降到2.5 V。因此必须改变功放器技术，以在较低的电压时保持足够的性能。 一般来说，功放器要求偏置缓冲区，以正确地设置偏置点。对基于双极技术的功放器，这导致串联两个PN联接，电压下降大约2.4 V。这限制了提供的偏置网络余量数量，特别是在电池电压下降到3 V以下时。E-pHEMT设备拥有非常低的接通电压，因此在偏置余量方面没有这种限制。这可以在小于3 V的偏置电平时实现杰出的Pout和效率性能。图3是低压时的性能实例。 可靠性 良好的RF性能必不可少，但设备还必须非常可靠，以便为通信OEM提供真正的价值。 一般来说，双极设备(包括HBT)会由于基极到发射机电压(Vbe)的温度特点而受到影响。这一参数与温度成反比，温度提高会导致Vbe下降。较小的Vbe会导致电流提高，进而导致Vbe进一步下降。在没有检查时，这种有效反馈会导致温度失控条件，进而导致设备失效。因此，GaAs HBT设备要求镇流器电阻器，通过使用镇流器电阻器，会降低设备中提供的电压摆幅。实际结果是必需在增益、PAE和输出功率之间进行折衷。相比之下，E-pHEMT设备较热区域RDSon本身会提高，这提供了固有镇流功能，在不损害Pout 或PAE性能的情况下，消除了温度失控情况。 HBT和E-pHEMT设备之间的另一种差别是HBT设备中的辅助击穿机制。由于局部击穿效应导致失衡和热区，这可能会引起过热，使HBT的电极熔断。因此，HBT设备要求在集电极中增加一个夹具，如Zener二极管，限制峰值输出电压。这些夹具在夹上时会增加某些损耗及生成杂散信号。由于固有的镇流效应，这种辅助击穿在E-pHEMT中是不存在的。 由于天线断开、存在大的接地排及使用充电器，因此功放器通常会受到输出阻抗大的变化影响。在输出和输入之间存在足够的电位差时(对FET是漏极到栅极，对BJT和HBT是集电极到基极)，任何设备都会被击穿。在HBT设备中，输出Vcb上的高电位差会导致雪崩效应，进而在设备中导致非常突然的、灾难性的电流流动，引起设备被击穿。在FET输出上的电位差同样高时，电源会完全关断，从漏极到电源没有击穿路径。FET中的击穿电压取决于漏极到栅极的电位BVGD。FET设备的BVGD要远远高于导致双极设备中集电极到发射机“穿透”的电位差。由于FET的击穿电压较高，因此其性能要更加强健。 集成到模块中 功放器只是通信电子器件RF区段的一部分。集成提高了已知的性能，因为更多的元器件装在一个封装中，可以在更高等级的组装之前对其进行测试。安捷伦希望把E-pHEMT优势应用到开关及CDMA、WCDMA和GSM前端模块内的无源匹配结构中。除E-pHEMT外，大多数FEM、而不是所有FEM都采用滤波技术。 安捷伦已经研制了一种滤波技术，称为薄膜腔声谐振器(FBAR)，这种技术将与E-pHEMT结合使用。图4说明了在5 x 8 mm封装中结合使用E-pHEMT功放器和FBAR双工器的实例。目前安捷伦正在为GSM应用开发类似的FEM，将对功放器和天线开关使用E-pHEMT，对接收滤波器使用FBAR。对产品开发来说，更大的好处是共同设计FEM内部不同单元之间的接口：E-pHEMT到E-pHEMT或E-pHEMT到FBAR，而不只是集成这两种技术。 结论 E-pHEMT有许多优势，如杰出的RF性能和高可靠性。令人激动的是，这种技术的潜力只是刚刚显现。今天，我们正在处理第一代E-pHEMT。未来增强功能将包括更高的PAE、为低压操作优化的设备及更高的功能集成程度。
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