蜂窩趨勢引領工藝技術發(fā)展方向

　　業(yè)界對哪種半導體工藝最適合某一給定應用存在著廣泛的爭論。雖然某種特殊工藝技術能更好地服務一些應用，但其它工藝技術也有很大的應用空間。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）和藍寶石硅（SoS）等工藝技術給業(yè)界提供了豐富的選擇。雖然半導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)絡向長期演進（LTE）等4G技術的發(fā)展，分立技術在通信領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)技術的喪鐘。

　　例如像iPhone這樣的手持設備，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著產(chǎn)品的設計。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，今天的半導體器件和集成電路（IC）必須提供更低的功耗、更方便的設計和合理的價格等優(yōu)勢。在基礎設施方面同樣是這個趨勢，因為網(wǎng)絡供應商希望在滿足不斷增長的數(shù)據(jù)業(yè)務同時，能利用“綠色”基站降低系統(tǒng)功耗。

　　從TriQuint半導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相對分立技術來說具有更高集成度的解決方案?！按?span id="jf66ftr" class=hrefStyle>功率GaNon-SiC的優(yōu)秀性能已經(jīng)得到了業(yè)界的廣泛認可，”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)字預失真（DPD）技術實現(xiàn)線性化?！?/P>

　　為了滿足正在發(fā)展的4G標準日益提高的帶寬和調(diào)制復雜性和當前3G標準的擴增有關的要求，Peters認為需要采用新一代的工藝技術產(chǎn)品?！斑@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?！彼A計，“技術改進將深入化合物半導體（GaAs和GaN）以及諸如銅倒裝芯片等封裝技術中去?！?/P>

　　工藝技術的持續(xù)發(fā)展確實在推動蜂窩通信的演進。舉例來說，Peregrine半導體公司與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)過充分認證后，將由IBM公司設在佛蒙特州伯林頓市的200mm晶圓半導體制造工廠采用兩家公司聯(lián)合開發(fā)的一種180nm工藝進行制造。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?span id="1o1pn3r" class=hrefStyle>單晶質(zhì)薄硅層運載并綁定到藍寶石基板上。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的良率和可擴展質(zhì)量的基板技術實現(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公司先進器件潔凈室設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。比如除了通信應用之外，GaN還被用于替代能源等領域。據(jù)RFMD公司MPG高級工程技術部副總裁Joe Johnson和CPG技術平臺部副總裁Todd Gillenwater透露，“GaN是所有半導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準電場，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)應用。GaN產(chǎn)品的高效率使得它是將光伏和風能系統(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’”。

　　因為GaN是一種相對不太成熟的技術，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，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設施應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來更好地服務基站、工業(yè)/儀器和國防設備。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，設計支持高中頻采樣接收器設計（參看“用IC控制無線網(wǎng)絡中的增益”）。

　　圖2：這個功放增益塊系列使用了GaAs增強型pHEMT半導體工藝，可減少蜂窩基礎設施應用中需要的總的射頻級數(shù)

　　通過采用系統(tǒng)級封裝（SiP技術），凌力爾特公司鄭重聲明支持在基站中完成直接轉(zhuǎn)換或中頻（IF）采樣。LTM9004和LTM9005是采用15-x-22-mm LGA封裝的射頻至數(shù)字微模塊接收器，其中集成有射頻混頻器/解調(diào)器、放大器、無源濾波和14位、125Msample/s的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（圖3）。這種接收器的高集成度可以支持更小的電路板或更多通道數(shù)量的系統(tǒng)。

　　全能型移動設備

　　除了集成度、性能和功耗要求外，移動設備還必須平衡各種標準和技術。例如包括藍牙、無線局域網(wǎng)（WLAN）、全球定位衛(wèi)星（GPS）和各種蜂窩標準。隨著智能手機和平板電腦的不斷普及，這種要求將有增無減。

　　美信集成產(chǎn)品公司的MAX2667/MAX2669是符合這一趨勢的許多產(chǎn)品例子中的一員。作為美信公司GPS/GNSS低噪聲放大器（LNA）系列中最新增加的成員，這些器件利用了SiGe工藝來提高智能手機、個人導航設備和其它手持設備中的GPS接收機靈敏度。與分立或高度集成的CMOS解決方案相比，噪聲系數(shù)只有0.65dB的這些LNA無疑會改善接收靈敏度和讀取距離。為了完成板級設計，這兩款LNA只需要4個外部元件（加上一個用于邏輯使能型關斷的可選電阻）。MAX2667/MAX2669均采用1mm2的WLP封裝。