蜂窩網(wǎng)絡(luò )趨勢引領(lǐng)新工藝前景方向

業(yè)界對哪種半導體工藝最適合某一給定應用存在著(zhù)廣泛的爭論。雖然某種特殊工藝技術(shù)能更好地服務(wù)一些應用，但其它工藝技術(shù)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(shù)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(lái)越高，但分立器件同樣在用這些工藝制造。隨著(zhù)全球電信網(wǎng)絡(luò )向長(cháng)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(lái)越少見(jiàn)。事實(shí)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(shí)現技術(shù)的喪鐘。

例如像iPhone這樣的手持設備，消費者對更長(cháng)電池使用時(shí)間、更強多媒體功能和小型體積等要求主導著(zhù)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(zhù)體積和成本方面的節省。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(jià)格等優(yōu)勢。在基礎設施方面同樣是這個(gè)趨勢，因為網(wǎng)絡(luò )供應商希望在滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的數據業(yè)務(wù)同時(shí)，能利用“綠色”基站降低系統功耗。

從TriQuint半導體公司的行動(dòng)中也可以驗證上述趨勢來(lái)。該公司目前正在推進(jìn)相對分立技術(shù)來(lái)說(shuō)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)界的廣泛認可，”TriQuint公司商業(yè)代工營(yíng)銷(xiāo)部總監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(shí)現更完整的集成。另外，公司的TriPower系列RFIC在業(yè)界樹(shù)立了新的性能標桿。采用系統性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(guò)傳統的數字預失真（DPD）技術(shù)實(shí)現線(xiàn)性化。”

為了滿(mǎn)足正在發(fā)展的4G標準日益提高的帶寬和調制復雜性和當前3G標準的擴增有關(guān)的要求，Peters認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成本。”他預計，“技術(shù)改進(jìn)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(shù)中去。”

工藝技術(shù)的持續發(fā)展確實(shí)在推動(dòng)蜂窩通信的演進(jìn)。舉例來(lái)說(shuō)，Peregrine半導體公司與IBM公司的合作成為前段時(shí)間的熱門(mén)新聞。Peregrine公司的下一代UltraCMOS RF IC在經(jīng)過(guò)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(chǎng)采用兩家公司聯(lián)合開(kāi)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(kāi)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(kāi)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。這兩家公司能夠將一層單晶質(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(cháng)型硅層的傳統SOS晶圓。

對Peregrine來(lái)說(shuō)，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30%。這種基板還有助于Peregrine公司繼續保持其長(cháng)期發(fā)展戰略，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(shí)現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(kāi)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(lèi)廣泛的照明、功率和通信元件，包括用于無(wú)線(xiàn)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(lái)納州研究三角園區的Cree公司先進(jìn)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(lǐng)域。據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(lái)說(shuō)，高功率密度意味著(zhù)器件可以非常小，而且具有非常小的寄生電容，從而能實(shí)現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(chǎng)，這意味著(zhù)很高的擊穿電壓，因而允許基站工作在高得多的電壓，并轉換為更高的總體系統效率。采用GaN的其它應用包括高功率電子器件，比如轉換器/逆變器和給混合動(dòng)力汽車(chē)提供動(dòng)力的電機驅動(dòng)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(fēng)能系統連接到電網(wǎng)的理想選擇。GaN可以使功率電子元件具有更快的開(kāi)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(zhù)更大直徑基板的推出和產(chǎn)量的提高，成本將很快降下來(lái)。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(chēng)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(guò)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(guò)提供高增益，這些功放有望大幅減少無(wú)線(xiàn)基礎設施應用中需要的射頻總級數（圖2）。此外，來(lái)自ADI公司的一系列射頻/中頻可變增益放大器（VGA）同時(shí)利用GaAs和SiGe來(lái)更好地服務(wù)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(gè)分立的射頻/中頻模塊組合成了一個(gè)器件。ADL5201及其雙路版本ADL5202是數字控制的中頻VGA，設計支持高中頻采樣接收器設計（參看“用IC控制無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的增益”）。