SiGe在半导体领域能撑起一片天吗

似水流年

SiGe在半导体领域能撑起一片天吗



自90年代以来，硅锗（SiGe）成为了一种流行的半导体材料，其生产量猛增。但是这种半导体并不是一夜之间就成功的。实际上，作为硅和锗的混合物，SiGe是被人们偶然发现的。

偶得SiGe

在1970年代和1980年代，IBM研究员Bernard Meyerson（梅耶森）博士不小心将一小块刚刚用氢氟酸清洗过的硅片掉到了地面上。当他用水冲洗硅片以清除灰尘时，他注意到硅片具有防水性。

                               
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图：SiGe芯片成为IBM IC中使用的CMOS晶体管的变体

后来，梅耶森（Meyerson）发现，用氢氟酸清洗硅时，会形成保护性氢层，从而无需将硅加热到1000°C即可除去硅中的污染性氧化物。在600°C下，氢层吹散并生成氧化物。这一发现使IBM的科学家能够在550°C的温度下生长硅锗。

硅锗的优势

自偶然发现和商业化以来，SiGe技术已经走了很长一段路。从那时起，电路设计人员发现，就功耗和性能而言，这种材料比硅更有效，同时还提高了设备的频率和振荡能力。

通过使用SiGe技术，电路设计人员可以受益于经济高效的解决方案，该解决方案的尺寸比硅要小。

根据MACOM的说法，SiGe的其他一些优点包括：

系统成本低
节能省电
集成的多种可能性  
高电子移动性
小尺寸
高频和振荡能力

由于SiGe中的电子迁移率比硅快，因此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。

SiGe的关键应用

恩智浦肖特基和SiGe整流器的产品经理Jan Fischer（菲舍尔）解释说，某些行业，例如汽车行业，需要一种能够在高温下工作并追求效率的半导体，无论是小型化、性能还是法规遵从性。

菲舍尔说：“正如我们在其他功率半导体解决方案中所看到的那样，体硅器件难以提供当今某些高性能电子系统所要求的性能和热稳定性。”

“需要一种能够实现最高效率、热稳定性和节省空间的新颖技术。”

许多设计人员认为SiGe是推动汽车，电信和太阳能行业创新的“新颖技术”的重要材料。

汽车行业

作为SiGe如何在汽车设计中取得长足进步的一个例子，让我们评估一下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“游戏规则”改变者，因为它们可以在热失控产生之前承受175°C的温度，从而提供安全的工作空间。

设计人员可以利用这种热容量-提高设计效率，而无需依靠快速恢复二极管来应对高温。

电信

由于SiGe的饱和电压低于硅，因此可以用于大电流应用。Maxim Integrated在有关SiGe技术如何增强RF前端性能的文章中阐明了这一点。

Maxim将其SiGe GST-3双极晶体管与其GST-2硅晶体管进行了比较，显示出增益与噪声之间的差异。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。

                               
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图：SiGe双极晶体管显示出高增益和低噪声。图片由Maxim Integrated提供

使用SiGe时，可以处理更大、更高质量的信号范围。

太阳能

SiGe的生长方式也可以提高SiGe的性能和多功能性，这一点NASA可以证明。

NASA研究人员发现，通过使用晶格生长方法在蓝宝石衬底上生长SiGe，他们可以使用同一晶片在另一侧生长氮化镓或氮化铟镓层，从而制造出了具有太阳能功能的LED显示屏。

                               
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图：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

太阳能应用通常具有低能量转换率（通常为15％至20％）。但是对于SiGe太阳能电池，该数量的能量转换效率可能会上升到30％-40％。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。

同样值得一提的是，大多数用于太阳能应用的材料比SiGe更昂贵且含量更低。

SiGe的权衡

尽管SiGe在要求更高电子迁移率的应用中很有用，但它确实存在折衷设计者应注意的问题。例如，对于在极高温度下运行的设备而言，硅仍然是最主要的。即使SiGe的价格低于砷化镓（GaAs），也比硅贵。

尽管硅和锗是丰富的材料，但在实验室中结合使用时，它们的成本确实很高。幸运的是，SiGe的日益普及使其近年来变得更容易使用，尤其是在面向汽车，电信和太阳能环境的组件中。

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