相較于十年前,如今通信設(shè)備的前端射頻模塊的復(fù)雜度大大增加。以智能手機(jī)為例,不僅要實(shí)現(xiàn)sub-6 GHz、毫米波、WiFi 2.4GHz/5&6GHz、藍(lán)牙和UWB等無線協(xié)議的載波聚合(CA),而且5G、WiFi 6(E)、藍(lán)牙5.3/BLE等無線傳輸的數(shù)據(jù)吞吐量也極大提升,對能耗也提出更高要求。因此,手機(jī)射頻前端的芯片材料技術(shù),已經(jīng)由早前的體硅襯底轉(zhuǎn)向SOI(絕緣體上硅),該襯底由薄的硅器件層、處理襯底,以及使器件層與處理襯底物理分隔并電隔離的薄掩埋氧化物(box)層構(gòu)成。
與內(nèi)置在體硅襯底中的相同器件相比,使用SOI技術(shù)制造的器件可以表現(xiàn)出某些更好的性能。例如,與SOI襯底相比,體硅襯底器件存在諧波器件之間的隔離性差的問題,在1~10GHz的射頻應(yīng)用中,高電阻率的芯片可以減少襯底射頻損耗。由于SOI 能夠以最優(yōu)的性價(jià)比實(shí)現(xiàn)更高的線性度和更低的插入損耗,因此它能夠給設(shè)備帶來更快的數(shù)據(jù)速度、更長的電池壽命、更穩(wěn)定的頻率,以及更流暢的通信質(zhì)量。
提到SOI,最具代表性的公司是Soitec。目前全球 100% 的智能手機(jī)都在采用該公司的 RF-SOI 技術(shù),并且該公司的 Connect RF-SOI已經(jīng)成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該襯底能夠在符合標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝的硅薄膜上實(shí)現(xiàn)高射頻性能、高線性射頻隔離和功率信號、低射頻損耗、數(shù)字處理和電源管理集成。
Connect RF-SOI包括Connect RFeSI、Connect iFEM-SOI和Connect HR-SOI三個系列,以滿足多樣化的性能要求。其中,RFeSI產(chǎn)品適用于具有嚴(yán)格線性規(guī)范的設(shè)備,在氧化埋層下方添加的富陷阱層使得 RFeSI具有出色的射頻性能,也是 Soitec 的主流產(chǎn)品線。RFeSI通常針對 LTE-Advanced 和 5G 規(guī)范,滿足不同的性能要求;iFEM-SOI 適用于對成本敏感的高度集成設(shè)備,面向 Wi-Fi、物聯(lián)網(wǎng)和其他消費(fèi)應(yīng)用規(guī)范,其簡化的富陷阱層能夠?qū)崿F(xiàn)在性能和射頻集成電路總擁有成本之間的良好平衡;HR-SOI 適用于具有較低線性規(guī)格的設(shè)備,去掉了富陷阱層,主要針對 2G 和 3G 規(guī)范的應(yīng)用。
Soitec RF-SOI 高級業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Luis Andia解釋,通過富陷阱層,能夠捕捉氧化埋層以及高阻抗操作層中游離的寄生電荷(parasitic charge)。這樣保證了襯底非常高的電阻率,進(jìn)而帶來極高的線性度,不僅僅是為晶體管,也為其他的無源器件的提供高線性度。
富陷阱層提供的高線性度可以減少相鄰頻段的干擾,并且能實(shí)現(xiàn)非常好的隔離,不論是數(shù)字信號還是模擬信號,即便是非常復(fù)雜的5G 毫米波的射頻前端,也能夠?qū)崿F(xiàn)隔離,從而防止信號串?dāng)_。
具體到針對不同應(yīng)用的產(chǎn)品,Soitec通過調(diào)整富陷阱層來改變材料適用特性。
“調(diào)整的方式就是調(diào)整陷阱層的厚度。這樣我們就能夠優(yōu)化制造周期:多長時間來生產(chǎn)制作這個富陷阱層。“Luis Andia解釋道,”這樣根據(jù)調(diào)整厚度,我們還能夠保證不同應(yīng)用的非常合適的線性度,比如說iFEM-SOI和RFeSI相比,iFEM-SOI的富陷阱層就比較薄,它主要是針對高度集成的設(shè)備,能夠在較低和不錯的性能之間達(dá)到良好的折中。所以我們可以對于性能和成本來進(jìn)行調(diào)整或者平衡。”
相較于iFEM-SOI,HR-SOI沒有富陷阱層,只有高阻抗硅,Luis Andia解釋,在 HR-SOI 中,具有高阻抗硅而沒有富陷阱層。因此,當(dāng)晶體管處理的功率增加時,因?yàn)樵诼駥友趸锖透咦杩构柚g存在的寄生電荷,其電阻率會降低;線性度會降低,信號會失真。因此它更適用于 3G 時代的一些遺留應(yīng)用或分立元件,但不適用于 5G 時代的高集成模塊等應(yīng)用。
Connect RF-SOI隸屬于Connect- SOI系列,據(jù)Luis Andia介紹,這是Soitec針對其三大戰(zhàn)略市場中的移動通信市場的產(chǎn)品系列,除了Connect RF-SOI,還包括Connect FD-SOI、Connect POI和Connect RF-GaN。另外兩個戰(zhàn)略市場是汽車和工業(yè),以及智能設(shè)備。汽車和工業(yè)相關(guān)產(chǎn)品包括Auto Power-SOI、Auto FD-SOI、Auto SmartSiC和Auto Power-GaN;智能設(shè)備產(chǎn)品包括Smart Imager-SOI、Smart FD-SOI、Smart Photonics-SOI和Smart PD-SOI。
早在2010年,Soitec 的RF-SOI就已經(jīng)用于智能手機(jī)的射頻前端,當(dāng)時主要是開關(guān)和控制,到2018年,由于5G手機(jī)中的CA組合單元已經(jīng)大于200個,RF-SOI的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)大到天線調(diào)諧器和低噪放大器,今年開始,RF-SOI的應(yīng)用還將擴(kuò)大至移相器、分路/合路器和功率放大器,以滿足5G毫米波規(guī)范的CA需求。Luis Andia強(qiáng)調(diào),在5G毫米波前端模塊中,Connect RF-SOI和Connect RF-GaN進(jìn)行了混合使用。
圖:Connect-SOI 在旗艦智能手機(jī)蜂窩RFFE中的應(yīng)用演變
此外,集成RFIC已經(jīng)是一個趨勢,例如村田和pSemi的RFIC將功放、低噪放大器、開關(guān)和RF-SOI整合,其他如MIXCOMM、Sivers、Movandi、Anokiwave和ADI等公司的射頻產(chǎn)品也都采用類似整合方案,村田和三星也有提供將RFIC集成在FD-SOI中的產(chǎn)品。關(guān)于FD-SOI,最新的消息是,ST和格芯正計(jì)劃在法國建造300mm晶圓廠來推動FD-SOI生態(tài)的發(fā)展,高通則宣布在歐洲加快提升22FDX產(chǎn)能,以實(shí)現(xiàn)下一代5G毫米波的應(yīng)用。
目前,在智能手機(jī)射頻前端中,幾乎所有的射頻開關(guān)和天線調(diào)諧器都已經(jīng)采用SOI,超過80%的集成低噪放大器也都采用SOI技術(shù)。而在物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備中,RF-SOI的高線性度、低插入損耗和高隔離度特性也將在射頻前端中的開關(guān)、功放和低噪放大器中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
同樣,RF-SOI在汽車TCU系統(tǒng)的射頻前端中也將發(fā)揮重要作用,這一系統(tǒng)通常在汽車鯊魚鰭天線和車身面板中,有數(shù)個復(fù)雜的射頻應(yīng)用和增強(qiáng)的射頻信號集成并存,包括V2X、NAD蜂窩、4G LTE和5G射頻前端、可最高支持4x4 MIMO的分集架構(gòu),以及WiFi 5、6(E)的射頻前端。
圖:汽車TCU系統(tǒng)的射頻前端非常復(fù)雜
Luis Andia表示,RF-SOI之所以成為射頻前端芯片的重要技術(shù),主要原因在于其能夠解決系統(tǒng)級射頻前端的2個共存問題:一是由射頻前端非線性導(dǎo)致的相鄰頻段產(chǎn)生干擾,而RF-SOI的特性就是能夠在主流CMOS上提供最佳線性新能;二是隨著射頻前端的復(fù)雜化,噪聲源也增加了,高階調(diào)制信號(高數(shù)據(jù)速率)對噪聲更加敏感,現(xiàn)有設(shè)計(jì)技術(shù)雖然可以大限度地減少COMS-bulk的干擾,但需要更大的裸片面積,且容易降低功率效率,而具有富陷阱層的 RF-SOI(RFeSI)優(yōu)化襯底可提供約35dB的噪聲隔離。
可以想見,隨著5G智能手機(jī),智能汽車和工業(yè),以及智能物聯(lián)網(wǎng)對系統(tǒng)通信單元的要求不斷提升,射頻前端的市場已步入快速發(fā)展階段,而解決射頻前端的痛點(diǎn),滿足相關(guān)市場潛在商機(jī)的需求,將為 Soitec的RF-SOI技術(shù)提供發(fā)揮價(jià)值的巨大空間。
除了滿足未來的市場需求,Soitec也希望在可持續(xù)發(fā)展的過程中,體現(xiàn)其發(fā)展戰(zhàn)略的價(jià)值。Luis Andia表示,Soitec致力于助力全球到2026年實(shí)現(xiàn)1.5度以內(nèi)的溫升控制目標(biāo),該目標(biāo)由全球范圍內(nèi)的公司共同設(shè)立,Soitec正在兩種方式來推動其實(shí)現(xiàn):一是生產(chǎn)創(chuàng)新性的優(yōu)化襯底產(chǎn)品。例如與傳統(tǒng)的SiC相比,每生產(chǎn)50萬片Smart SiC晶圓,可以減少2萬噸的二氧化碳排放量;二是致力于在法國總部的工廠實(shí)現(xiàn)100%的可持續(xù)能源的使用。此外該公司還致力于在法國和新加坡的工廠實(shí)現(xiàn)每單位產(chǎn)量減少12%的水消耗。
Soitec正在提升產(chǎn)能,計(jì)劃增加2座新的工廠,一個位于法國,生產(chǎn)200mm SiC晶圓,目標(biāo)是年產(chǎn)50萬片,另一個是新加坡的年產(chǎn)100萬/片的300mm晶圓廠,用于生產(chǎn)不同類型的優(yōu)化襯底產(chǎn)品,如RF-SOI和FD-SOI。