蜂窩網(wǎng)絡(luò)趨勢引領(lǐng)新工藝前景方向

業(yè)界對哪種半導(dǎo)體工藝最適合某一給定應(yīng)用存在著廣泛的爭論。雖然某種特殊工藝技術(shù)能更好地服務(wù)一些應(yīng)用，但其它工藝技術(shù)也有很大的應(yīng)用空間。像CMOS、BiCMOS、砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、雙極硅、絕緣硅（SoI）和藍(lán)寶石硅（SoS）等工藝技術(shù)給業(yè)界提供了豐富的選擇。雖然半導(dǎo)體器件的集成度越來越高，但分立器件同樣在用這些工藝制造。隨著全球電信網(wǎng)絡(luò)向長期演進(jìn)（LTE）等4G技術(shù)的發(fā)展，分立技術(shù)在通信領(lǐng)域中正變得越來越少見。事實上許多人相信，智能手機的普及敲響了手持通信產(chǎn)品中分立實現(xiàn)技術(shù)的喪鐘。

例如像iPhone這樣的手持設(shè)備，消費者對更長電池使用時間、更強多媒體功能和小型體積等要求主導(dǎo)著產(chǎn)品的設(shè)計。用更少的芯片提供更強的性能和更多的功能意味著體積和成本方面的節(jié)省。除了集成更多的元件外，今天的半導(dǎo)體器件和集成電路（IC）必須提供更低的功耗、更方便的設(shè)計和合理的價格等優(yōu)勢。在基礎(chǔ)設(shè)施方面同樣是這個趨勢，因為網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商希望在滿足不斷增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)同時，能利用“綠色”基站降低系統(tǒng)功耗。

從TriQuint半導(dǎo)體公司的行動中也可以驗證上述趨勢來。該公司目前正在推進(jìn)相對分立技術(shù)來說具有更高集成度的解決方案。“大功率GaNon-SiC的優(yōu)秀性能已經(jīng)得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可，”TriQuint公司商業(yè)代工營銷部總監(jiān)Mike Peters指出，“TriQuint的方法是提供完整的MMIC GaN工藝，這種工藝允許在這些更大功率應(yīng)用中實現(xiàn)更完整的集成。另外，公司的TriPower系列RFIC在業(yè)界樹立了新的性能標(biāo)桿。采用系統(tǒng)性Doherty配置的兩種TriQuint TG2H214120-FL 120W器件可以提供60多瓦的平均WCDMA功率和55%的集電極效率。TriPower器件也很容易通過傳統(tǒng)的數(shù)字預(yù)失真（DPD）技術(shù)實現(xiàn)線性化。”

為了滿足正在發(fā)展的4G標(biāo)準(zhǔn)日益提高的帶寬和調(diào)制復(fù)雜性和當(dāng)前3G標(biāo)準(zhǔn)的擴增有關(guān)的要求，Peters認(rèn)為需要采用新一代的工藝技術(shù)產(chǎn)品。“這將涉及到提高集成度、提高功率和效率以及降低系統(tǒng)成本。”他預(yù)計，“技術(shù)改進(jìn)將深入化合物半導(dǎo)體（GaAs和GaN）以及諸如銅倒裝芯片等封裝技術(shù)中去。”

工藝技術(shù)的持續(xù)發(fā)展確實在推動蜂窩通信的演進(jìn)。舉例來說，Peregrine半導(dǎo)體公司與IBM公司的合作成為前段時間的熱門新聞。Peregrine公司的下一代UltraCMOS RF IC在經(jīng)過充分認(rèn)證后，將由IBM公司設(shè)在佛蒙特州伯林頓市的200mm晶圓半導(dǎo)體制造工廠采用兩家公司聯(lián)合開發(fā)的一種180nm工藝進(jìn)行制造。最近，Peregrine還與絕緣硅（SOI）晶圓提供商Soitec公司聯(lián)合開發(fā)了一種綁定型藍(lán)寶石硅基板，用于RF IC制造。這種新基板的開發(fā)和大批量生產(chǎn)已經(jīng)得到認(rèn)證，可用于制造Peregrine公司的下一代STeP5 UltraCMOS RF IC。這兩家公司能夠?qū)⒁粚訂尉з|(zhì)薄硅層運載并綁定到藍(lán)寶石基板上。最終形成的綁定型硅層在晶體管遷移率和硅質(zhì)量方面都好于使用外延生長型硅層的傳統(tǒng)SOS晶圓。

對Peregrine來說，新基板有望進(jìn)一步改善RF IC性能、功能和外形尺寸，而且IC尺寸減小和性能增強的幅度可達(dá)30%。這種基板還有助于Peregrine公司繼續(xù)保持其長期發(fā)展戰(zhàn)略，即采用能夠匹配體硅技術(shù)的良率和可擴展質(zhì)量的基板技術(shù)實現(xiàn)更高集成度的射頻前端（RFFE）IC解決方案。

讓我們再看看其它開發(fā)新聞。Cree公司在SiC技術(shù)方面邁出了一大步（圖1）。前年8月，Cree公司展示了微管道密度不到10 micropipes/cm2的高質(zhì)量150mm SiC基板。目前Cree公司使用100mm直徑的SiC基板。SiC制造的產(chǎn)品可用于種類廣泛的照明、功率和通信元件，包括用于無線通信的射頻功率晶體管。而150mm SiC基板的推出不僅可以提高吞吐量，而且成本相應(yīng)也有大幅降低。

圖1：生產(chǎn)操作員正在位于北卡羅來納州研究三角園區(qū)的Cree公司先進(jìn)器件潔凈室設(shè)備前使用電子掃描顯微鏡（SEM）檢查SiC晶圓

GaN工藝一直是SiC的強勁競爭對手。比如除了通信應(yīng)用之外，GaN還被用于替代能源等領(lǐng)域。據(jù)RFMD公司MPG高級工程技術(shù)部副總裁Joe Johnson和CPG技術(shù)平臺部副總裁Todd Gillenwater透露，“GaN是所有半導(dǎo)體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。對于射頻應(yīng)用來說，高功率密度意味著器件可以非常小，而且具有非常小的寄生電容，從而能實現(xiàn)非常大的帶寬和很高的輸入/輸出阻抗。GaN材料也具有特別高的標(biāo)準(zhǔn)電場，這意味著很高的擊穿電壓，因而允許基站工作在高得多的電壓，并轉(zhuǎn)換為更高的總體系統(tǒng)效率。采用GaN的其它應(yīng)用包括高功率電子器件，比如轉(zhuǎn)換器/逆變器和給混合動力汽車提供動力的電機驅(qū)動器，以及各種工業(yè)應(yīng)用。GaN產(chǎn)品的高效率使得它是將光伏和風(fēng)能系統(tǒng)連接到電網(wǎng)的理想選擇。GaN可以使功率電子元件具有更快的開關(guān)速度和更低的功耗損失。具有將電網(wǎng)元件的功耗損失減小約30%的能力，從而使得GaN成為了一種真正‘綠色的技術(shù)’”。

因為GaN是一種相對不太成熟的技術(shù)，因此Johnson和Gillenwater表示GaN仍然相對比較昂貴。但隨著更大直徑基板的推出和產(chǎn)量的提高，成本將很快降下來。RFMD公司的GaN技術(shù)至今投產(chǎn)已經(jīng)有2年半了。在該公司的CATV放大器中，GaN用于HFC網(wǎng)絡(luò)，可用于擴展信號從頭端到消費者的信號傳輸范圍。與GaAs放大器相比，RFMD公司聲稱這些放大器可以提供更高的輸出功率。此外，RF393x系列GaN功率晶體管在輸出功率性能方面都要勝過GaAs和硅。

然而，GaAs仍具有關(guān)鍵優(yōu)勢。例如，安華高科技公司最近利用其0.25-μm GaAs增強型pHEMT半導(dǎo)體工藝成功創(chuàng)建了MGA-31589和MGA-31689增益塊功率放大器（PA）。通過提供高增益，這些功放有望大幅減少無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中需要的射頻總級數(shù)（圖2）。此外，來自ADI公司的一系列射頻/中頻可變增益放大器（VGA）同時利用GaAs和SiGe來更好地服務(wù)基站、工業(yè)/儀器和國防設(shè)備。這一系列射頻/中頻VGA（型號為ADL5201、ADL5202、ADL5240和ADL5243）將4個分立的射頻/中頻模塊組合成了一個器件。ADL5201及其雙路版本ADL5202是數(shù)字控制的中頻VGA，設(shè)計支持高中頻采樣接收器設(shè)計（參看“用IC控制無線網(wǎng)絡(luò)中的增益”）。