随着信息时代的快速发展情况下，在个人无线通信、家庭有线通讯的要求亦与日俱增，前者已由GSM、GPRS、进到第三代IMT-2000，后者则有由电话线、cable线进展到光纤的趋势，其中不祇系统架构、电路设计有重大变革，且其主要规格如传输数据速率亦快速增加；而这些成果主要拜半导体制程技术突飞猛进之赐，尤其硅制程技术在高频/高速特性的突破性进展，加上其高度整合性，使其成本的降低与市场的扩充造成良性循环，促进整个产业澎渤发展。

选择适用于通讯产品的ICs制程技术，一直有很大争论，尤其在所谓的RF CMOS加入战局之后；过去几年以来通讯ICs零组件有各种方式被提出，包括Silicon-Based技术（CMOS、Bipolar、SiGe HBT、BiCMOS），III-V族技术（GaAs/InP MESFET、HBT）。虽然最终的考虑应是经济因素，能以最低成本和最快时间将产品推出市场的将是最大赢家；但各种制程技术的高频特性，无疑是开发阶段中作为评估的重要依据。基本上III-V族技术其高频特性是优于硅制程技术，但在硅制程技术不断降低尺寸、提升效能情势下，其高频特性能已能进一步满足电路规格要求，在成本和整合性的考虑之下，无疑有将渐渐取代GaAs的可能，尤其在10GHz以下产品。

本文主要探讨硅制程技术在无线通信产品的发展现况及挑战，分别从无线通信发展趋势、组件高频特性、和RF功能单元实现，来分析各式ICs技术之优缺点与限制，涵盖着noise figure、linearity、gain、phase noise和power dissipation诸多高频系统特性，其中亦兼论到宽带光纤通讯ICs，最后对目前在研究发展的新兴技术作一番探讨，并认为High Performance SiGe BiCMOS为目前最实际可行、有效技术。

无线/光纤通讯发展趋势与架构

无线/光纤通讯发展趋势

在不久将来，可预测个人通讯网络系统将会如(图一)所示，包括以WLAN（或Bluetooth）连接的短距离（10~30m）、cellular phone连接的长距离（1.0~5km）无线通信网络，以及以光纤连接的有线通讯网络；为因应多媒体的需求，两者传输速率亦与日俱增，这也是高频半导体制程技术，尤其硅制程技术发展的主要原动力。

《图一 个人无线/光鲜通讯网络 ([Source]: IBM J. Res. Develop.) [1]》

如以无线通信网络发展趋势来看，其移动率和传输速率的演变可以(图二)表示，其中阴影区域为目前正在开发三种不同需求的无线通信技术，IMT2000 (International Mobile Telecommunications 2000) Phase I为高移动率/低容量系统，其传输率依移动率的快慢可从144Kbps到2Mbps，AWA (Advanced Wireless Access)为低移动率/中容量系统，其传输率可达10Mbps，WLL (Wireless Local Loop) 或LMDS (Local multipoint Distributed System)属静止/高容量系统，其传输率将超过20Mbps以上；前两者被称为过渡期的第三代cellular phone，将在2010年进一步结合发展成高移动率/高容量的第四代。

另外，有关有线光纤通讯网络系统，如SONET (Synchronous Optical Network)其传输速率亦由之前100Mbps、2.5Gbps、10Gbps，快速提升到40Gbps。

《图二 无线通信系统移动率与传输速率的演进 ([Source]: Solid-State Electronics) [2]》

无线/光纤通讯架构

典型无线通信终端产品（wireless communication terminal）的功能方块图如(图三)所示，同时亦显示各个功能方块所应用到的各式ICs制程技术。GaAs主要用于靠近天线的前端（front-end）区域，包括RF T/R switch、LNA、PA，取其具有低电流损耗、低噪声、高功率效率，尤其GaAs在switch处于off-state状态所具有的低耗损（insertion loss）、高隔离（isolation）的特性，更是其它技术不易取代；Bipolar （BiCMOS）则用在mixer、frequency synthesizer等中频信号处理，有时亦涵盖LNA 和VCO，视系统需求而定；基频部份则非CMOS莫属。

《图三 典型无线通信终端产品的功能方块与制程技术》

至于光纤通讯高速电路部份架构如(图四)所示，之前皆属III-V族技术，包括所有功能方块的ICs以及Laser、Photo Diode，目前除后者光电组件外，已有多种电路利用硅制程技术来制作，传输速率高达40Gbps都已被验证。

《图四 光纤通讯收发器高速电路架构〈数据源:Source: Lucent's Presentation [3]〉》

各式ICs技术高频特性与RFICs Block实现

各式ICs技术高频特性

应用于无线通信IC的晶体管，最能显示其高频特征的有底下几个参数：1. Short-circuit current gain band width (fT)；2. Maximum power gain bandwidth (fMAX)； 3. Minimum noise figure (NF)； 4. Maximum power-added efficiency； 5. Linearity (IIP3)。在众多的半导体技术中，目前各自拥有成熟技术的特征值比较，可由(表一)看出。基本上GaAs （MESFET、HBT）其高频特性是远优于Si BJT（CMOS），但在Si BJT（CMOS）不断降低尺寸、提升效能情势下，GaAs已无法像CMOS在数字ICs技术中一样一直占有主流地位，如果Si BJT（CMOS）高频特性能进一步满足电路规格要求，在成本和整合性的考虑之下，无疑将渐渐取代GaAs，此点将为底下章节讨论重点。

表一 各式IC技术组件高频特性比较

Criterion	Si BJT	Si/SiGe HBT	GaAs MESFET	GaAs HBT	BiCMOS BJT
BVCEO/BVDS	4	4	8	15	6
FT(GHz)	32	55	50	30	13
FMAX(GHz)	35	55	60	70	11
GMAX@2GHz(db)	24	28	20	19	17
Noise figure@2GHz(db)	1.0	0.5	0.3	1.5	1.0
IP3/P-1 db(db)	9	9	12	16	9
Power-added efficiency@3V(%)		70	60@5V	70	40

如果将电流损耗、被动组件整合性、制造复杂度考虑进来，可以归纳成(表二)；理想RF IC制程技术应该同时能达到低噪声、高线性（high IIP3）、低电流损耗、高度整合性、低制造成本的要求。

表二 理想RFICs制作过程

Criterion	Ideal	GaAs MESFET	RF MOSFET	Bipolar	Si/SiGe HBT
Noise Figure	low	low	high	moderate	low
Input IP3 capacity	high	high	moderate	moderate	high
Current consumption	low	low	high	moderate	low
Passive component integration	high	high	low	low	high
Implementation	low	high	low	low	high

Source :Microwave journ﹝4﹞

RFICs Building Block实现 (各种制程技术考虑、比较)

底下将就如何利用不同ICs制程技术来实现前述RFICs各个主要building block，作一详尽探讨，主要讨论每个RF /IF building block的重要规格参数，和达到此规格所需要的组件参数，以及不同ICs制程技术优缺点与限制。

1. Low-Noise Amplifier：

LNA是RF效能优劣的第一道关卡，因为要能将来自天线众多混乱信号中取出所要信号，LNA需要具有低噪声（low noise）、高线性（high linearity）特性，其分别指针为noise figure（dB）、third-order input intercept point（IIP3）；另外高增益（high gain）、低功率消耗（low dc power consumption）亦是必须考虑参数。

晶体管（BJT's and FET's）的minimum noise figure可以表示为

(公式一)

Noise Figure ~" 1+ kgm rb/g (f/fT ) 2(公式一)

晶体管要获得低噪声，其input resistance (rb/g)要尽可能降低，同时拉高cut-off frequency。一般来说(rg)MESFET ＜ (rb)BJT ＜ (rg)MOSFET，提升Si-RF特性必需降低rb/g值，Bipolar除可由水平方向缩小尺寸降低寄生基极电阻外，另外亦可藉base-engineering来提高基极浓度，进一步降低rb值；MOSFET's则要降低poly- gate电阻，常用方法为 polycide gate，最近更有人提出“T-gate”结构，使其rg快逼近MESFET's。

(图五)显示不同技术所制作出来的LNA，在2 GHz频率时其Gain / Pdc比值对NF作图，Gain / (Pdc·NF)此特征值（figure-of-merit）为LNA效能重要指针，愈高者表示在同一个NF值之下其gain愈高且功率损耗愈低，亦就是其效能愈佳，由图可看出Si CMOS落在0.4 (1/mW)线以下，Si bipolar稍好可达到1.0 (1/mW)，GaAs介于1.0 ~ 2.5 (1/mW)之间，最近SiGe HBT甚至可达5.5 (1/mW)，表示silicon-based组件特性亦可优于GaAs。

《图五 各式制程技术其FOM值的比较 〈数据源:Source : IE3 SC [5]》

2. VCO & Frequency Synthesizer：〉

因为受到不易on-chip制作高Q值inductor、varactor-diode，和无法调正制程变异所造成偏移等种种限制，VCO目前大都为混合式(hybrid)，利用低1/f bipolar、高Q表面黏着inductor、varactor-diode等分立组件组合而成，并可作温度补偿和雷射调正以达到设定中心频率；一般bipolar具有1/f noise转折频率在1 KHz以下的特点，单芯片LC tank VCO其phase noise目前约略可作到 -105 dBc/Hz （at 100kHz offset）。如果channel spacing 要更窄以容纳更多频道，则1/f noise corner frequency要更一步降低，LC tank之Q值要求亦更高，将是单芯片整合最大挑战。

由phase detector、VCO、prescaler组成的phase-lock loop (PLL) frequency synthesizer提供可程序稳定频率作为混波、解调/调变之用，其主要特性参数为phase-noise、power consumption、lock-up time；高速BiCMOS可为PLL设计作最佳组合，bipolar用来设计高速（2.5 GHz）、低电流（＜ 4mA）的prescaler，CMOS则用在低功率divider和charge-pumps上，虽然0.35 um以下CMOS号称可完全取代BiCMOS，但bipolar所具有极高的transconductance，使其用于prescaler的输入信号仅须50 mVp-p swing，比起CMOS需要大于400 mVp-p小很多，因此综合考虑下其performance仍优于CMOS。另外PLL功能单元电路如charge pump、prescaler所产生noise亦会影响整体PLL phase noise，尤其close-in phase noise主要来自于这些电路，因此具有较低1/f noise bipolar组件在这方面仍较具优势。

3. Power Amplifier：

如同VCO一样，PA亦是不容易整合成单芯片的一个功能单元；目前常用PA模块是由高效率功率晶体管和分立高Q值被动组件组合而成，虽较易调整阻抗匹配以获得最佳功率输出，但比起作成单芯片PA，仍是成本较高，占太大空间更是不利；而单芯片PA目前最大问题还是无法有效整合高Q值(Q ＞ 50) 、低损耗被动组件。

基本上，应用在RF IC产品的PA为Class-AB mode操作，以获得良好linearity、power-added efficiency (PAE)，应用于此种型式PA的晶体管主要考虑的特性参数，包括功率输出最大频率(fMAX)、线性度(linearity)、崩溃电压(BVCEO - bipolar或BVGDS - FETs)；在考虑崩溃电压和linearity时，bipolar组件比较不利，目前用在无线电通讯终端产品主要为GaAs MESFET或LDMOS，但在工作电压不断降低，高频bipolar崩溃电压的限制将渐渐消除，利用SiGe作成的PA已可作到65 % PAE、25 dB增益、2.0 mW/um2功率密度，在cellular产品应用上颇有竞争力。

高频/高速硅制程技术发展现况与挑战

早期无线电通讯产品是由庞大笨重、昂贵、耗功率的混合式零组件组成，但在可携式终端产品追求轻薄短小及普遍化的强烈需求下，能同时达到便宜、低功率、大产量的高度ICs整合化，无疑是最佳选择；但目前这类终端产品还是需要不少分立零组件（discrete component）来组合以达到系统规格要求，仍无法作高度整合，这可归纳成几个因素：(1) 尚无单一IC制程技术能同时满足无线电通讯产品所有功能单元需求；(2) 高效能被动组件（filter, inductor, capacitor）尚不易整合在Si 制程技术上；(3) 各个功能单元之间隔绝尚未完全克服。亦就是说为达到所谓“Single-Chip Radio”，系统架构、制程技术上尚需要作重大突破。

在Silicon-based RFICs技术中，RF CMOS在深次微米技术的开发浪潮下，尤其在"system on a chip"观念被提出之后，无疑是进展最快速和最具前瞻性的，但在MOSFET组件特性先天性的限制和系统整合成单一芯片的众多问题，未被解决之前，先由目前数个ICs组成核心架构中，利用电路设计改变与制程技术提升，逐渐提高频率范围和进一步整合周边分立零组件，其中BiCMOS技术不失为实际可行办法；底下将就上面陈述，分别由High Performance BiCMOS、RF CMOS、On-Chip Inductor (RF MEMS)来探讨制程技术发展方向。

1. High-Performance BiCMOS：

在深次微米CMOS技术逐渐涵盖所有数字逻辑IC趋势下，Analog BiCMOS则在另一澎渤发展的模拟混合式IC领域里扮演重要角色，尤其是在无线通信IC产品上；有别于digital，BiCMOS是将bipolar和CMOS组成逻辑闸运用，高频Analog BiCMOS则依功能区分为模拟和数字单元，模拟功能单元以高频特性较佳bipolar组件来设计，数字单元充份运用CMOS耗电省、密度高的特征，而达到整合性高的IC制程技术，因为强调bipolar组件的高频特性，此类技术亦称为High-Performance BiCMOS（HP BiCMOS）。

HP BiCMOS主要在提升bipolar的高频特性，基本上可从水平和垂直两个方向的缩小（scaling）来着手；水平方向除可藉由lithography的进展将design rule大小降低外，亦可祇从结构的改变 － single-poly non-self-aligned（SPNSA）演变到double-poly self-aligned （DPSA），利用extended poly-base contact和self-aligned特性来降低寄生电阻、电容，尤其是基极电阻和集极电容，对降低noise figure、提高fmax有很大帮助；垂直方向则作浅射极/基极接口，以降低基极宽度来提高截止频率，传统上是调变基极搀杂离子能量、浓度和射极回火温度、时间，但因制程宽限（process window）很窄，在获得浅基极接口宽度的同时，极易失之于表面E-B接口浓度过浓易造成隧通（tunneling）漏电，或失之于基极宽度内浓度过淡使得穿透（punchthrough）电压过低。

解决之道在于能作出类似箱形接口（box profile），以同时避免上述两个问题，磊晶基极（epitaxial base）技术已被初步验证可达到此目标，在世界各地展开这方面的广泛研究，尤其SiGe (base) bipolar更获得极大进展，可轻易作到fT ＞ 50 GHz、fmax ＞ 75 GHz、(NF)min ＜ 1.0 dB，高频特性逼近GaAs MESFET。

以IBM的不同世代（design rules）SiGe BiCMOS的组件特性来看(表三)，在0.18um技术中HP （High Performance）NPN组件的截止频率（fT）已高达120GHz，其相对Hi BV （High Breakdown）NPN fT约为30GHz，前者用来设计高频/高速电路，后者将用来作PA设计。

2. RF CMOS：

RF CMOS最近一直有很多进展报导，分别从组件布局设计（folded gate）、多晶硅闸极电阻降低（polycide gate、“T”metal gate），显示在0.15 um 以下CMOS组件其高频特性已逼近、甚至超越bipolar组件；以Toshiba's 0.15 um RF CMOS为例，可达到fT = 42 GHz、NFmin = 1.4 dB (at 2 GHz)。但MOSFET有一先天限制，其noise figure反比于transconductance (gm)，在低汲极电流时gm甚小，造成其NFmin远大于最低值；相对于bipolar组件要达到相同的noise figure，CMOS需要更高电流或更大面积来达成，对讲究低耗电的可携型无线电终端产品来说是一大不利，以发表的两个例子作比较，CMOS-only LNA需耗电20 mW以达到NFmin = 1.9 dB （工作于0.9 GHz, 2.7 V），而bipolar LNA仅需耗电3.8 mW以达到NFmin = 2.1 dB（工作于1.9 GHz, 1.9 V）。

另外为克服硅基材耗损大、高频隔绝差的的问题，RF CMOS/SOI亦渐渐被提出，如0.5 um T-gate CMOS/SOS作成的LNA，在工作于2.4 GHz频率耗电14 mW情况下，其NFmin可作到2.8 dB；又如0.7 um技术作成fractional_N PLL，工作于1.1 GHz频率耗电24 mW情况下其phase noise可作到75 dBc /Hz；其中耗电和噪声的改善主要得助于高阻值基材的隔离效果。

整个RF CMOS发展蓝图可由(表四)看出端倪，随着design rule逐渐缩小其fT、NF高频特性皆可逐渐提升，但如前所述其代价是要以较高power consumption来达到，将是RF CMOS最大限制。

《表四 RF CMOS发展蓝图〈数据源:Source : Hiroshi Iwai [7]〉》

3. On-Chip Inductor (RF MEMS)：

在无线通信电路中，被动组件（passive component）扮演着极重要角色，在很多单元里发挥调变功能(图六)，是目前无法单芯片化的主要瓶颈；其困难处在于以硅制程技术不易作到低损耗（high-Q）的电感、电容、电阻，其中又以On-chip inductor最为棘手。

《图六 在无线通信架构中被动组件的角色 〈Source : Lucent's Presentation [8]〉》

On-chip inductor应用于电路阻抗匹配（impedance matching）或VCO的LC tank，在减少外接分立零组件的要求下，扮演非常重要角色；不过长期以来其Q值都无法作高，主要受限于其值是正比于电感绕线所圈绕面积，但IC chip面积资源是有限的，无可避免要受到极大限制，因此需要其它的办法克服，目前作法大都是从减低其串联电阻和减少基材电磁损耗两方面着手，包括加厚金属层、多层金属层作连接并联、和挖空电感底下基材、垫厚底下介电质，但这些改善措施对Q值的提升仍有限，仅能达到5 ~ 20之间，其中Q值最高者同时利用半绝缘基材及加厚金属层，但比起Q值约为50 ~ 500的off-chip电感仍逊色不少。

更进一步改善on-chip inductor特性的方法一直在积极开发中，如3D coil inductor以电感线圈垂直于芯片有效降低对基材的电容和磁涡流损耗（eddy current loss），其Q值可达30以上；又如tunable inductor由交连的RF 和Drive两个线圈组成，利用两者的相位差调出适量偏移，可使电阻损耗大辐降低，以得到Q值近于2000的电感。

针对上述问题最近几年来有所谓的RF MEMS研发，利用MEMS技术在芯片上制作出高效能被动组件，涵盖inductor、tunable capacitor、switch、resonator，进一步单芯片化。

高频/高速电路设计发展现况与挑战

高频/高速的电路属于模拟/数字mixed-mode的设计，除需要有准确的主、动组件的高频模型参数，包括大、小信号及高频寄生效应，另外组件间拉线、功能单元间藕合效应，以硅芯片为基材来制作其效应更加严重，在设计时必需特别加以考虑。

底下将以几个实际产品来说明目前RFICs制程技术的状况，主要以BiCMOS为主，并和RFCMOS、III-V族作产品规格的比较：

National Semiconductor - 高整合度 DECT Radio Transceiver

整个DECT系统包括三个IC和多个分立零组件(discrete component)，三个IC分别为GaAs power amplifier、BiCMOS RF Transceiver chip、CMOS baseband controller；RF次系统除两颗IC外还含有分立组件switch、filter、VCO、LNA。RF transceiver chip (LMX3161)高度整合mixer、IF amplifier、IF limiting amplifier、quadrature demodulator、RSSI、1 GHz PLL、regulator、freuency doubler等多种功能于一颗IC，为0.5 um BiCMOS (ABiC V)制程技术，属single-poly self-aligned bipolar结构，其截止频率fT = 18 GHz；应用于DECT系统上，在BER (Bit Error Rate) ＜ 10-3，其灵敏度可达-92 dBm，符合系统规格(-86 dBm)要求。

Philips - 第二代 GSM / DCS-1800 芯片组

基本上RF部份除power amplifier、switch、filter、VCO外，全部整合成三颗IC (含LNA)，分别为RF transceiver (SA1620)、IF I/Q transceiver (SA1638)、frequency synthesizer (UMA1019)，属0.65 um BiCMOS (QUBiC 2)制程技术，bipolar为single-poly self-aligned结构，其截止频率fT = 20 GHz；其特点在于能相互切换提供GSM和DCS-1800两种模式的系统应用。

Harris (Intersil) / IBM- PRISM II chip sets for IEEE802.11 WLAN

整个chip sets包括五个ICs和多个分立零组件(discrete components) (图七)，五个ICs分别为power amplifier with detector、RF/IF converter and synthesizer、I/Q mod/demod and synthsier、baseband processor with rake receiver and equalier、medium access controller，前三者属中、高频部份系以IBM 0.5um SiGe BiCMOS技术制作，结果远优于bipolar/CMOS/GaAs的hybrid方式，如成本、脚数降低2倍、动态范围增加4倍、传输速率增加5~6倍，其特性改善最主要得力于SiGe BiCMOS制程技术的运用。

《图七 PRISM II chip sets for IEEE802.11 WLAN》

基本上，因为SiGe BiCMOS的优越高频特性及高度整合性，已吸引众多设计公司投入高频/高速产品的设计，尤其IBM更是与Alcatel、AMCC、Harris、Hughes Electronics、National Semiconductor、Nortel、Tektronix策略联盟，采取IBM's SiGe HBT/BiCMOS技术技术来开发众多高频/高速ICs，分别应用在Wireless、Networking、和Test-Instrument上，如(表五)所示。

《表五 设计公司与IBM策略联盟推出SiGe BiCMOS产品〈数据源:Source: IBM J. Res. Develop.) [1]〉》

结语

高度整合的无线/光纤通讯RFICs无疑是今日ICs技术最大挑战之一，在全球各地积极研究发展下，已将各个功能电路单元整合的限制逐渐排除，达成低成本的单芯片目标指日可待；选择合适制程技术来实现高度整合的RFICs，除了需要考虑各个关键单元的效能外，最后产品的价格、推出的时间更是决定因素。

如前所述RFICs产品最终的考虑应是经济因素，能以最低成本和最快时间将产品推出市场的将是最大赢家；CMOS以百倍于高速Bipolar、GaAs的产值在急速发展中，如果其高频特性能更进一步验证可有效应用于RFICs上，甚至媲美高速Bipolar、GaAs，则挟其巨大产能所带来成本效益，将是RF CMOS全面介入RFICs领域的时候。

不过，在CMOS高频特性的先天限制未完全克服之前，RFICs仍然是以GaAs和Bipolar技术为主；目前在2.5 GHz以下已有很多Bipolar （BiCMOS）产品商品化，包括chip set、single-chip transceiver，在成本考虑之下已有逐渐取代GsAs的驱势，而且在Bipolar技术不断提升之下，如SiGe HBT高频特性的改善，其应用频率已可涵盖到5.0 GHz，甚至更高，应用范围将更加广泛；如果被动组件高频特性能进一步提升，整合能力的加强，将使RFICs 芯片组更加简化，成本的降低、效能的提高都会获得实时的改善。

最后，认为在Bipolar高频特性不断提升情况下，强调Bipolar高频特性的High-Performance SiGe BiCMOS应是目前最实际可行、有效办法，以达到同时可兼顾高频特性和高整合度的要求。

〈参考数据：

(1). B. B. Meyerson, "Silicon:Germanium-Based Mixed-Signal Technology for Optimi- zation of Wired and Wireless Telecommunication", IBM J. Res. Develop., Vol44-3, May 2000, pp.391-405

(2). M. Muraguchi, "RF Device Trends for Mobile Communications", Solid-State Elect- ronics, Vol.43-8, Aug. 1999, pp.1591-1598

(3). C. A. King, "SiGe Bipolar Transistors foe High Speed Optical Networking and Wireless Communication Applications", Jul. 2000

(4). L. E. Larson, "Integrated Circuit Technology Option for RFIC's - Present Status and Future Directions", IE3 SC-33-3, March 1998, PP.387-399

(5). D. Harame, "Status and Trends of SiGe BiCMOS Technology", Jan. 2002

(6). H. Iwai, "Next-generation RF Silicon Device Technology for Mobile Tele- communication", SPIE, Vol.3891, 1999, pp.10-19〉