为什么说移动终端发展引领了半导体工艺新方向？

哪种半导体工艺最适合某一指定应用？对此，业界存在着广泛的争论。虽然某种特殊工艺技术能更好地服务一些应用，但其它工艺技术也有很大的应用空间。像CMOS、BiCMOS、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、双极硅、绝缘硅（SoI）和蓝宝石硅（SoS）等工艺技术给业界提供了丰富的选择。虽然半导体器件的集成度越来越高，但分立器件同样在用这些工艺制造。随着全球电信网络向长期演进（LTE）等4G技术的发展，分立技术在通信领域中正变得越来越少见。事实上许多人相信，智能手机的普及敲响了手持通信产品中分立实现技术的丧钟。这也是为什么大家说，移动终端发展引领了半导体工艺新方向。

黄玫玫

2019-8-2 14:47:05

例如像iPhone这样的手持设备，消费者对更长电池使用时间、更强多媒体功能和小型体积等要求主导着产品的设计。用更少的芯片提供更强的性能和更多的功能意味着体积和成本方面的节省。除了集成更多的元件外，今天的半导体器件和集成电路（IC）必须提供更低的功耗、更方便的设计和合理的价格等优势。在基础设施方面同样是这个趋势，因为网络供应商希望在满足不断增长的数据业务同时，能利用“绿色”基站降低系统功耗。
从TriQuint半导体公司的行动中也可以验证上述趋势来。该公司目前正在推进相对分立技术来说具有更高集成度的解决方案。“大功率GaNon-SiC的优秀性能已经得到了业界的广泛认可，”TriQuint公司商业代工营销部总监Mike Peters指出，“TriQuint的方法是提供完整的MMIC GaN工艺，这种工艺允许在这些更大功率应用中实现更完整的集成。另外，公司的TriPower系列RFIC在业界树立了新的性能标杆。采用系统性Doherty配置的两种TriQuint TG2H214120-FL 120W器件可以提供60多瓦的平均WCDMA功率和55%的集电极效率。TriPower器件也很容易通过传统的数字预失真（DPD）技术实现线性化。”
为了满足正在发展的4G标准日益提高的带宽和调制复杂性和当前3G标准的扩增有关的要求，Peters认为需要采用新一代的工艺技术产品。“这将涉及到提高集成度、提高功率和效率以及降低系统成本。”他预计，“技术改进将深入化合物半导体（GaAs和GaN）以及诸如铜倒装芯片等封装技术中去。”
工艺技术的持续发展确实在推动蜂窝通信的演进。举例来说，Peregrine半导体公司与IBM公司的合作成为前段时间的热门新闻。Peregrine公司的下一代UltraCMOS RF IC在经过充分认证后，将由IBM公司设在佛蒙特州伯林顿市的200mm晶圆半导体制造工厂采用两家公司联合开发的一种180nm工艺进行制造。最近，Peregrine还与绝缘硅（SOI）晶圆提供商Soitec公司联合开发了一种绑定型蓝宝石硅基板，用于RF IC制造。这种新基板的开发和大批量生产已经得到认证，可用于制造Peregrine公司的下一代STeP5 UltraCMOS RF IC。这两家公司能够将一层单晶质薄硅层运载并绑定到蓝宝石基板上。最终形成的绑定型硅层在晶体管迁移率和硅质量方面都好于使用外延生长型硅层的传统SOS晶圆。
对Peregrine来说，新基板有望进一步改善RF IC性能、功能和外形尺寸，而且IC尺寸减小和性能增强的幅度可达30%。这种基板还有助于Peregrine公司继续保持其长期发展战略，即采用能够匹配体硅技术的良率和可扩展质量的基板技术实现更高集成度的射频前端（RFFE）IC解决方案。
让我们再看看其它开发新闻。Cree公司在SiC技术方面迈出了一大步（图1）。前年8月，Cree公司展示了微管道密度不到10 micropipes/cm2的高质量150mm SiC基板。目前Cree公司使用100mm直径的SiC基板。SiC制造的产品可用于种类广泛的照明、功率和通信元件，包括用于无线通信的射频功率晶体管。而150mm SiC基板的推出不仅可以提高吞吐量，而且成本相应也有大幅降低。

图1：生产操作员正在位于北卡罗来纳州研究三角园区的Cree公司先进器件洁净室设备前使用电子扫描显微镜（SEM）检查SiC晶圆
GaN工艺一直是SiC的强劲竞争对手。比如除了通信应用之外，GaN还被用于替代能源等领域。据RFMD公司MPG高级工程技术部副总裁Joe Johnson和CPG技术平台部副总裁Todd Gillenwater透露，“GaN是所有半导体材料中具有最高功率密度的材料，其功率密度是硅或GaAs的5至10倍，SiC的2倍。对于射频应用来说，高功率密度意味着器件可以非常小，而且具有非常小的寄生电容，从而能实现非常大的带宽和很高的输入/输出阻抗。GaN材料也具有特别高的标准电场，这意味着很高的击穿电压，因而允许基站工作在高得多的电压，并转换为更高的总体系统效率。采用GaN的其它应用包括高功率电子器件，比如转换器/逆变器和给混合动力汽车提供动力的电机驱动器，以及各种工业应用。GaN产品的高效率使得它是将光伏和风能系统连接到电网的理想选择。GaN可以使功率电子元件具有更快的开关速度和更低的功耗损失。具有将电网元件的功耗损失减小约30%的能力，从而使得GaN成为了一种真正‘绿色的技术’”。

例如像iPhone这样的手持设备，消费者对更长电池使用时间、更强多媒体功能和小型体积等要求主导着产品的设计。用更少的芯片提供更强的性能和更多的功能意味着体积和成本方面的节省。除了集成更多的元件外，今天的半导体器件和集成电路（IC）必须提供更低的功耗、更方便的设计和合理的价格等优势。在基础设施方面同样是这个趋势，因为网络供应商希望在满足不断增长的数据业务同时，能利用“绿色”基站降低系统功耗。
从TriQuint半导体公司的行动中也可以验证上述趋势来。该公司目前正在推进相对分立技术来说具有更高集成度的解决方案。“大功率GaNon-SiC的优秀性能已经得到了业界的广泛认可，”TriQuint公司商业代工营销部总监Mike Peters指出，“TriQuint的方法是提供完整的MMIC GaN工艺，这种工艺允许在这些更大功率应用中实现更完整的集成。另外，公司的TriPower系列RFIC在业界树立了新的性能标杆。采用系统性Doherty配置的两种TriQuint TG2H214120-FL 120W器件可以提供60多瓦的平均WCDMA功率和55%的集电极效率。TriPower器件也很容易通过传统的数字预失真（DPD）技术实现线性化。”
为了满足正在发展的4G标准日益提高的带宽和调制复杂性和当前3G标准的扩增有关的要求，Peters认为需要采用新一代的工艺技术产品。“这将涉及到提高集成度、提高功率和效率以及降低系统成本。”他预计，“技术改进将深入化合物半导体（GaAs和GaN）以及诸如铜倒装芯片等封装技术中去。”
工艺技术的持续发展确实在推动蜂窝通信的演进。举例来说，Peregrine半导体公司与IBM公司的合作成为前段时间的热门新闻。Peregrine公司的下一代UltraCMOS RF IC在经过充分认证后，将由IBM公司设在佛蒙特州伯林顿市的200mm晶圆半导体制造工厂采用两家公司联合开发的一种180nm工艺进行制造。最近，Peregrine还与绝缘硅（SOI）晶圆提供商Soitec公司联合开发了一种绑定型蓝宝石硅基板，用于RF IC制造。这种新基板的开发和大批量生产已经得到认证，可用于制造Peregrine公司的下一代STeP5 UltraCMOS RF IC。这两家公司能够将一层单晶质薄硅层运载并绑定到蓝宝石基板上。最终形成的绑定型硅层在晶体管迁移率和硅质量方面都好于使用外延生长型硅层的传统SOS晶圆。
对Peregrine来说，新基板有望进一步改善RF IC性能、功能和外形尺寸，而且IC尺寸减小和性能增强的幅度可达30%。这种基板还有助于Peregrine公司继续保持其长期发展战略，即采用能够匹配体硅技术的良率和可扩展质量的基板技术实现更高集成度的射频前端（RFFE）IC解决方案。
让我们再看看其它开发新闻。Cree公司在SiC技术方面迈出了一大步（图1）。前年8月，Cree公司展示了微管道密度不到10 micropipes/cm2的高质量150mm SiC基板。目前Cree公司使用100mm直径的SiC基板。SiC制造的产品可用于种类广泛的照明、功率和通信元件，包括用于无线通信的射频功率晶体管。而150mm SiC基板的推出不仅可以提高吞吐量，而且成本相应也有大幅降低。

图1：生产操作员正在位于北卡罗来纳州研究三角园区的Cree公司先进器件洁净室设备前使用电子扫描显微镜（SEM）检查SiC晶圆
GaN工艺一直是SiC的强劲竞争对手。比如除了通信应用之外，GaN还被用于替代能源等领域。据RFMD公司MPG高级工程技术部副总裁Joe Johnson和CPG技术平台部副总裁Todd Gillenwater透露，“GaN是所有半导体材料中具有最高功率密度的材料，其功率密度是硅或GaAs的5至10倍，SiC的2倍。对于射频应用来说，高功率密度意味着器件可以非常小，而且具有非常小的寄生电容，从而能实现非常大的带宽和很高的输入/输出阻抗。GaN材料也具有特别高的标准电场，这意味着很高的击穿电压，因而允许基站工作在高得多的电压，并转换为更高的总体系统效率。采用GaN的其它应用包括高功率电子器件，比如转换器/逆变器和给混合动力汽车提供动力的电机驱动器，以及各种工业应用。GaN产品的高效率使得它是将光伏和风能系统连接到电网的理想选择。GaN可以使功率电子元件具有更快的开关速度和更低的功耗损失。具有将电网元件的功耗损失减小约30%的能力，从而使得GaN成为了一种真正‘绿色的技术’”。

林森

2019-8-2 14:47:07

因为GaN是一种相对不太成熟的技术，因此Johnson和Gillenwater表示GaN仍然相对比较昂贵。但随着更大直径基板的推出和产量的提高，成本将很快降下来。RFMD公司的GaN技术至今投产已经有2年半了。在该公司的CATV放大器中，GaN用于HFC网络，可用于扩展信号从头端到消费者的信号传输范围。与GaAs放大器相比，RFMD公司声称这些放大器可以提供更高的输出功率。此外，RF393x系列GaN功率晶体管在输出功率性能方面都要胜过GaAs和硅。
然而，GaAs仍具有关键优势。例如，安华高科技公司最近利用其0.25-μm GaAs增强型pHEMT半导体工艺成功创建了MGA-31589和MGA-31689增益块功率放大器（PA）。通过提供高增益，这些功放有望大幅减少无线基础设施应用中需要的射频总级数（图2）。此外，来自ADI公司的一系列射频/中频可变增益放大器（VGA）同时利用GaAs和SiGe来更好地服务基站、工业/仪器和国防设备。这一系列射频/中频VGA（型号为ADL5201、ADL5202、ADL5240和ADL5243）将4个分立的射频/中频模块组合成了一个器件。ADL5201及其双路版本ADL5202是数字控制的中频VGA，设计支持高中频采样接收器设计（参看“用IC控制无线网络中的增益”）。

图2：这个功放增益块系列使用了GaAs增强型pHEMT半导体工艺，可减少蜂窝基础设施应用中需要的总的射频级数
通过采用系统级封装（SiP技术），凌力尔特公司郑重声明支持在基站中完成直接转换或中频（IF）采样。LTM9004和LTM9005是采用15-x-22-mm LGA封装的射频至数字微模块接收器，其中集成有射频混频器/解调器、放大器、无源滤波和14位、125Msample/s的模数转换器（图3）。这种接收器的高集成度可以支持更小的电路板或更多通道数量的系统。
全能型移动设备
除了集成度、性能和功耗要求外，移动设备还必须平衡各种标准和技术。例如包括蓝牙、无线局域网（WLAN）、全球定位卫星（GPS）和各种蜂窝标准。随着智能手机和平板电脑的不断普及，这种要求将有增无减。
美信集成产品公司的MAX2667/MAX2669是符合这一趋势的许多产品例子中的一员。作为美信公司GPS/GNSS低噪声放大器（LNA）系列中最新增加的成员，这些器件利用了SiGe工艺来提高智能手机、个人导航设备和其它手持设备中的GPS接收机灵敏度。与分立或高度集成的CMOS解决方案相比，噪声系数只有0.65dB的这些LNA无疑会改善接收灵敏度和读取距离。为了完成板级设计，这两款LNA只需要4个外部元件（加上一个用于逻辑使能型关断的可选电阻）。MAX2667/MAX2669均采用1mm2的WLP封装。

图3：这些接收器均采用15-x-22mm LGA封装，支持定向转换或中频采样设计，可为3G/4G蜂窝基站接收器提供架构性技术选择
RFMD公司还专门针对智能手机和平板电脑推出了许多基于SOI的开关产品。由于这些移动设备中多种射频标准（GSM/WCDMA/LTE/WiFi/蓝牙）要求共存，因此这些开关产品承诺提供领先的开关线性度和谐波性能。RFMD公司的这一SOI开关产品组合包括RF1603A（SP3T）、RF1604（SP4T）和RF1291（SP10T）天线开关模块。
Skyworks公司提供的一系列表贴功放模块仅凭单个封装就能提供完整的宽带码分多址（WCDMA）覆盖，频率分别覆盖1920MHz至1980MHz（SKY77701）、850MHz至1910MHz（SKY77702）、1710MHz至1785MHz（SKY77703）、824MHz至849MHz（SKY77704）和880MHz至915MHz（SKY77705）。这些器件可以满足高速下行链路数据包访问（HSDPA）、高速上行数据包访问（HSUPA）和长期演进（LTE）数据传输的严格频谱线性要求，并具有较高的功率附加效率（PAE）。这些模块中还集成了定向耦合器，无需再使用任何外部耦合器。***HTC公司推出的包括EVO、Desire HD和Z在内的系列智能手机中就已经采用了这些功放。
显然，工艺技术为了满足无线和其它应用需求而推进发展的速度是相当令人惊叹的。虽然集成技术在更多的时候是首选，但分立技术在智能手机之外的应用中仍有庞大需求。正如RFMD公司的Johnson和Gillenwater总结的那样，“目前无线应用使用许多种工艺技术，如GaAs HBT、pHEMT、BiFET、SiGe、SOI和CMOS等。在性能方面要求最严格的应用将继续使用化合物半导体。在性能要求不是太高的场合，可以使用硅（Si）。随着GaAs解决方案的成本持续走低（裸片缩小，更大批量），没有更好的理由要去改变技术。
今后几年值得期待的、令人感兴趣的新技术无疑是BiFET和SOI。SOI对无线应用来说是一种相对新的Si技术，具有一些令人感兴趣的射频特性，因此是低功耗射频电路和开关的理想解决方案。GaAs BiFET将HBT和pHEMT整合为一种技术，可实现更高集成度而不牺牲性能，同时还能降低成本。LNA、中等功率射频开关、HBT功放和低密度模块控制电路可以集成在单块GaAs基板上。
当然，有关哪种工艺技术能够最好地服务哪种应用的争论仍将继续下去。

因为GaN是一种相对不太成熟的技术，因此Johnson和Gillenwater表示GaN仍然相对比较昂贵。但随着更大直径基板的推出和产量的提高，成本将很快降下来。RFMD公司的GaN技术至今投产已经有2年半了。在该公司的CATV放大器中，GaN用于HFC网络，可用于扩展信号从头端到消费者的信号传输范围。与GaAs放大器相比，RFMD公司声称这些放大器可以提供更高的输出功率。此外，RF393x系列GaN功率晶体管在输出功率性能方面都要胜过GaAs和硅。
然而，GaAs仍具有关键优势。例如，安华高科技公司最近利用其0.25-μm GaAs增强型pHEMT半导体工艺成功创建了MGA-31589和MGA-31689增益块功率放大器（PA）。通过提供高增益，这些功放有望大幅减少无线基础设施应用中需要的射频总级数（图2）。此外，来自ADI公司的一系列射频/中频可变增益放大器（VGA）同时利用GaAs和SiGe来更好地服务基站、工业/仪器和国防设备。这一系列射频/中频VGA（型号为ADL5201、ADL5202、ADL5240和ADL5243）将4个分立的射频/中频模块组合成了一个器件。ADL5201及其双路版本ADL5202是数字控制的中频VGA，设计支持高中频采样接收器设计（参看“用IC控制无线网络中的增益”）。

图2：这个功放增益块系列使用了GaAs增强型pHEMT半导体工艺，可减少蜂窝基础设施应用中需要的总的射频级数
通过采用系统级封装（SiP技术），凌力尔特公司郑重声明支持在基站中完成直接转换或中频（IF）采样。LTM9004和LTM9005是采用15-x-22-mm LGA封装的射频至数字微模块接收器，其中集成有射频混频器/解调器、放大器、无源滤波和14位、125Msample/s的模数转换器（图3）。这种接收器的高集成度可以支持更小的电路板或更多通道数量的系统。
全能型移动设备
除了集成度、性能和功耗要求外，移动设备还必须平衡各种标准和技术。例如包括蓝牙、无线局域网（WLAN）、全球定位卫星（GPS）和各种蜂窝标准。随着智能手机和平板电脑的不断普及，这种要求将有增无减。
美信集成产品公司的MAX2667/MAX2669是符合这一趋势的许多产品例子中的一员。作为美信公司GPS/GNSS低噪声放大器（LNA）系列中最新增加的成员，这些器件利用了SiGe工艺来提高智能手机、个人导航设备和其它手持设备中的GPS接收机灵敏度。与分立或高度集成的CMOS解决方案相比，噪声系数只有0.65dB的这些LNA无疑会改善接收灵敏度和读取距离。为了完成板级设计，这两款LNA只需要4个外部元件（加上一个用于逻辑使能型关断的可选电阻）。MAX2667/MAX2669均采用1mm2的WLP封装。

图3：这些接收器均采用15-x-22mm LGA封装，支持定向转换或中频采样设计，可为3G/4G蜂窝基站接收器提供架构性技术选择
RFMD公司还专门针对智能手机和平板电脑推出了许多基于SOI的开关产品。由于这些移动设备中多种射频标准（GSM/WCDMA/LTE/WiFi/蓝牙）要求共存，因此这些开关产品承诺提供领先的开关线性度和谐波性能。RFMD公司的这一SOI开关产品组合包括RF1603A（SP3T）、RF1604（SP4T）和RF1291（SP10T）天线开关模块。
Skyworks公司提供的一系列表贴功放模块仅凭单个封装就能提供完整的宽带码分多址（WCDMA）覆盖，频率分别覆盖1920MHz至1980MHz（SKY77701）、850MHz至1910MHz（SKY77702）、1710MHz至1785MHz（SKY77703）、824MHz至849MHz（SKY77704）和880MHz至915MHz（SKY77705）。这些器件可以满足高速下行链路数据包访问（HSDPA）、高速上行数据包访问（HSUPA）和长期演进（LTE）数据传输的严格频谱线性要求，并具有较高的功率附加效率（PAE）。这些模块中还集成了定向耦合器，无需再使用任何外部耦合器。***HTC公司推出的包括EVO、Desire HD和Z在内的系列智能手机中就已经采用了这些功放。
显然，工艺技术为了满足无线和其它应用需求而推进发展的速度是相当令人惊叹的。虽然集成技术在更多的时候是首选，但分立技术在智能手机之外的应用中仍有庞大需求。正如RFMD公司的Johnson和Gillenwater总结的那样，“目前无线应用使用许多种工艺技术，如GaAs HBT、pHEMT、BiFET、SiGe、SOI和CMOS等。在性能方面要求最严格的应用将继续使用化合物半导体。在性能要求不是太高的场合，可以使用硅（Si）。随着GaAs解决方案的成本持续走低（裸片缩小，更大批量），没有更好的理由要去改变技术。
今后几年值得期待的、令人感兴趣的新技术无疑是BiFET和SOI。SOI对无线应用来说是一种相对新的Si技术，具有一些令人感兴趣的射频特性，因此是低功耗射频电路和开关的理想解决方案。GaAs BiFET将HBT和pHEMT整合为一种技术，可实现更高集成度而不牺牲性能，同时还能降低成本。LNA、中等功率射频开关、HBT功放和低密度模块控制电路可以集成在单块GaAs基板上。
当然，有关哪种工艺技术能够最好地服务哪种应用的争论仍将继续下去。

赖治添

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黄玫玫

林森

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