根据摩尔定律发展了三十多年的CMOS工艺,至今仍呈现勃勃生机。一方面体现在CMOS工艺正在朝12英寸65纳米的方向发展,其商用工艺特征尺寸已不到0.1微米；另一方面,随着CMOS技术的进步,CMOS技术的应用已从数字电路扩展到模拟/混合信号及射频电路,并在传统以双极、GaAs、SiGe器件为主的高速模拟电路领域占有一席之地。
CMOS工艺最大的好处是适合大规模生产,因而成本低,而且器件集成度高、功耗低。目前商用数字处理单元大多采用CMOS工艺。但由于CMOS 晶体管的截止频率相对较低,目前高速模拟电路主要采用GaAs等非CMOS材料。但这些技术也存在一些问题,例如材料价格昂贵、工艺复杂、难以与采用CMOS工艺的数字电路集成等。
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《电子工程专辑》总编辑
Yorbe Zhang。
未来消费电子产品对高性能、小体积和低成本提出了更高要求,这需要进一步集成在系统中占有较大面积的高速模拟电路,并往单片集成的方向发展。显然,在标准CMOS工艺基础上发展起来的、具有成本和集成度优势的新的CMOS技术将是最有可能的解决方案。在近期的一次采访中,我与Peregrine半导体公司CTO Ron Reedy博士讨论的UltraCMOS技术便是其中的一种。
UltraCMOS是一种在更为常见的蓝宝石基底上实现超薄硅芯片的技术,它可以提高器件的截止频率,而且在生产过程中使用标准CMOS工艺设备。Reedy表示:“用UltraCMOS工艺制作的射频器件相对GaAs器件来说,可以在很宽的频率范围内提供出色的线性度和高隔离度,而且芯片面积更小、集成度更高、整体成本也更低,可满足手机、数字电视广播、通讯基础设施、军事等应用的需求。”
目前,Peregrine公司主要采用UltraCMOS技术开发高性能射频开关,据称摩托罗拉、三星、LG等全球十大手机制造商都在其手机设计中采用该公司的产品。例如,最新的PE4263 SP6T射频天线开关可以满足四频带GSM手机天线开关模块市场的需要。它的工作频率从100MHz到3GHz,所有端口可以承受1500V ESD,比GaAs高了一个数量级。由于不需要阻塞电容,可减少12个元件,另外它的开关稳定时间很快、隔离性能好,这些都有利于提高电池的整个使用寿命。
数字电视接收也是UltraCMOS技术的主要应用领域。数字电视信号的带宽很宽,从数十兆赫兹到800多兆赫兹,这要求射频器件具有很好的线性度,而UltraCMOS 技术可以避免GaAs器件低频性能欠佳的问题。据了解,已有台湾厂商在日益流行的PC电视卡中采用了UltraCMOS开关器件。因为日益流行的PC电视卡不仅可以收看有线电视、无线电视,而且还具有FM调频功能,所以需要在高频头中采用高性能、小体积的开关器件。此外,带有同时兼容有线、地面和卫星接收标准的端口的数字电视也正逐渐成为一个开发热点,UltraCMOS技术有望在这方面有所作为。
“由于CMOS工艺能够减少整个系统的成本,所以CMOS工艺总是能够取得胜利。”Reedy说,“已量产的UltraCMOS射频开关最高频率为4GHz,而样品的最高工作频率已经达到12GHz。”UltraCMOS技术除了可以用在射频开关、PLL、数字分级衰减器等模拟/混合信号器件中,它还将在更多的数字电路中得以应用。
当今,半导体行业对应用在高速模拟电路的CMOS工艺技术的研究很多。Silicon Laboratories已量产了0.13微米GSM手机用单芯片CMOS功率放大器。Intel也宣称致力于用CMOS工艺开发射频电路。在2005年国际固态电路会议(ISSCC)的无线射频分会场上,我们非常欣喜地看到许多CMOS射频器件亮相,包括用CMOS实现的全集成802.11b芯片、可支持4个GSM频段的单芯片CMOS收发器等。预计在不久的将来,会有更多高度集成的CMOS高速模拟电路问世。
作者:Yorbe Zhang
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