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技术 | Technology – 异构集成

直到最近，这种集成还在电路板或封装级别
上来进行。但这并不是最理想的，因为它的电路
占用空间大，互连损耗也大，并且成本很高。
一个更好的选择是不同材料体系的晶圆级集
成。这种方法为未来的通信器件开辟了许多的新
机会。对于纯硅 RF 技术而言，单片异构集成有
望降低成本，降低互连功耗，优化电路性能，缩
小芯片尺寸，减少板级封装，并为毫米波通信应用，
如 5G 移动和无线，提供更多电路创新的空间。
单片集成带来的卓越性能部分源于将硅和
III-V 器件非常紧密地放置一起，它们可以仅分开
几微米，有时甚至更少。能够以这种方式实现的
系统包括基于硅和 III-V 的混合单片集成的收发器
（参见图 1）。该系统可以结合使用高性能 III-V 族
材料形成的 RF 前端，或 III-V 和硅 CMOS 器件
的组合 ；同时采用高度集成硅 CMOS 技术的数字
基带。这是一种结合了 III-V 族和硅的最佳结合。

III-V 族材料选择
目前有几种 III-V 族技术都可用于生产毫米
波频率的功率和低噪声固态放大器，即跨度为 30
GHz 至 300 GHz 的技术。在这些选择中，InGaAs
HEMT 和 HBT 为 5G 应用提供最均衡的噪声和功
率性能（参见图 2（a）的各种微波，毫米波和亚
毫米波功率放大器的片上输出功率）。
鉴于 GaN 在 RF 领域的成功，对 InGaAs 的
偏好可能会引起一些人的侧目。然而，虽然 GaN
基MMIC在固态器件技术中表现出最佳功率输出，
但由于 GaN HEMT 的大的拐点电压，GaN PA 由
于高的工作电压而受到不良影响。
如果采用混合 III-V 族和硅的技术来实现具
有巨大销售额的器件，则必须针对已经使用硅的
规模生产。在无线领域，我们已经在移动设备（例
如手机）中实现了这样的体量。然而，手机的工
作电压范围使得 GaN 失去了其主要的优势。
自 1959 年推出集成电路以来，硅一直主导着
半导体行业。硅以 CMOS 的形式极快速地
发展着，提供了无与伦比的器件集成密度。
然而，硅并非万能的。在高频领域，由这种
材料制成的器件不如由 GaAs，GaN 和 InP 等材
料制成的器件，所有这些替代器件都具有更高的
功率，更低的噪声和出色的线性。因此，现代通
图1. 混合收发器系统可以利用III-V和硅CMOS技术的优势。通过这种方法，使用III-V技术可以
信器件的趋势是在同一块电路板上集成高速 III-V 设计高性能放大器，滤波器和转换器，而控制和数字电路可以使用硅CMOS设计。此外，可以
使用III-V和硅CMOS器件的组合来实现诸如ADC（模数转换器）和DAC（数模转换器）的混合
器件和高密度硅 CMOS。 子电路。

www.compoundsemiconductorchina.net 化合物半导体 2019年第2期 17