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相較于十年前，如今通信設備的前端射頻模塊的復雜度大大增加。以智能手機為例，不僅要實現sub-6 GHz、毫米波、WiFi 2.4GHz/5&6GHz、藍牙和UWB等無線協(xié)議的載波聚合（CA），而且5G、WiFi 6（E）、藍牙5.3/BLE等無線傳輸的數據吞吐量也極大提升，對能耗也提出更高要求。因此，手機射頻前端的芯片材料技術，已經由早前的體硅襯底轉向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)層構成。
與內置在體硅襯底中的相同器件相比，使用SOI技術制造的器件可以表現出某些更好的性能。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)的性價比實現更高的線性度和更低的插入損耗，因此它能夠給設備帶來更快的數據速度、更長的電池壽命、更穩(wěn)定的頻率，以及更流暢的通信質量。
提到SOI，最具代表性的公司是Soitec。目前全球 100% 的智能手機都在采用該公司的 RF-SOI 技術，并且該公司的 Connect RF-SOI已經成為行業(yè)標準。該襯底能夠在符合標準 CMOS 工藝的硅薄膜上實現高射頻性能、高線性射頻隔離和功率信號、低射頻損耗、數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產品適用于具有嚴格線性規(guī)范的設備，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備，面向 Wi-Fi、物聯網和其他消費應用規(guī)范，其簡化的富陷阱層能夠實現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)格的設備，去掉了富陷阱層，主要針對 2G 和 3G 規(guī)范的應用。
Soitec RF-SOI 高級業(yè)務發(fā)展經理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，并且能實現非常好的隔離，不論是數字信號還是模擬信號，即便是非常復雜的5G 毫米波的射頻前端，也能夠實現隔離，從而防止信號串擾。
具體到針對不同應用的產品，Soitec通過調整富陷阱層來改變材料適用特性。
“調整的方式就是調整陷阱層的厚度。這樣我們就能夠優(yōu)化制造周期：多長時間來生產制作這個富陷阱層。“Luis Andia解釋道，”這樣根據調整厚度，我們還能夠保證不同應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備，能夠在較低和不錯的性能之間達到良好的折中。所以我們可以對于性能和成本來進行調整或者平衡。”
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，當晶體管處理的功率增加時，因為在埋層氧化物和高阻抗硅之間存在的寄生電荷，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 時代的一些遺留應用或分立元件，但不適用于 5G 時代的高集成模塊等應用。
Connect RF-SOI隸屬于Connect- SOI系列，據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)，以及智能設備。汽車和工業(yè)相關產品包括Auto Power-SOI、Auto FD-SOI、Auto SmartSiC和Auto Power-GaN；智能設備產品包括Smart Imager-SOI、Smart FD-SOI、Smart Photonics-SOI和Smart PD-SOI。
早在2010年，Soitec 的RF-SOI就已經用于智能手機的射頻前端，當時主要是開關和控制，到2018年，由于5G手機中的CA組合單元已經大于200個，RF-SOI的應用已經擴大到天線調諧器和低噪放大器，今年開始，RF-SOI的應用還將擴大至移相器、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強調，在5G毫米波前端模塊中，Connect RF-SOI和Connect RF-GaN進行了混合使用。
圖：Connect-SOI 在旗艦智能手機蜂窩RFFE中的應用演變
此外，集成RFIC已經是一個趨勢，例如村田和pSemi的RFIC將功放、低噪放大器、開關和RF-SOI整合，其他如MIXCOMM、Sivers、Movandi、Anokiwave和ADI等公司的射頻產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中的產品。關于FD-SOI，最新的消息是，ST和格芯正計劃在法國建造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產能，以實現下一代5G毫米波的應用。
目前，在智能手機射頻前端中，幾乎所有的射頻開關和天線調諧器都已經采用SOI，超過80%的集成低噪放大器也都采用SOI技術。而在物聯網和可穿戴設備中，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、功放和低噪放大器中發(fā)揮關鍵作用。
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，有數個復雜的射頻應用和增強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，以及WiFi 5、6（E）的射頻前端。
圖：汽車TCU系統(tǒng)的射頻前端非常復雜
Luis Andia表示，RF-SOI之所以成為射頻前端芯片的重要技術，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致的相鄰頻段產生干擾，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雜化，噪聲源也增加了，高階調制信號（高數據速率）對噪聲更加敏感，現有設計技術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，智能汽車和工業(yè)，以及智能物聯網對系統(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，滿足相關市場潛在商機的需求，將為 Soitec的RF-SOI技術提供發(fā)揮價值的巨大空間。
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，體現其發(fā)展戰(zhàn)略的價值。Luis Andia表示，Soitec致力于助力全球到2026年實現1.5度以內的溫升控制目標，該目標由全球范圍內的公司共同設立，Soitec正在兩種方式來推動其實現：一是生產創(chuàng)新性的優(yōu)化襯底產品。例如與傳統(tǒng)的SiC相比，每生產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現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現每單位產量減少12%的水消耗。
Soitec正在提升產能，計劃增加2座新的工廠，一個位于法國，生產200mm SiC晶圓，目標是年產50萬片，另一個是新加坡的年產100萬/片的300mm晶圓廠，用于生產不同類型的優(yōu)化襯底產品，如RF-SOI和FD-SOI。
