蜂窩趨勢(shì)引領(lǐng)工藝技術(shù)發(fā)展方向

　　業(yè)界對(duì)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(zhēng)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(zhǎng)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(shí)上許多人相信，智能手機(jī)的普及敲響了手持通信產(chǎn)品中分立實(shí)現(xiàn)技術(shù)的喪鐘。

　　例如像iPhone這樣的手持設(shè)備，消費(fèi)者對(duì)更長(zhǎng)電池使用時(shí)間、更強(qiáng)多媒體功能和小型體積等要求主導(dǎo)著產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。用更少的芯片提供更強(qiáng)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(jì)和合理的價(jià)格等優(yōu)勢(shì)。在基礎(chǔ)設(shè)施方面同樣是這個(gè)趨勢(shì)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商希望在滿足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)同時(shí)，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(dòng)中也可以驗(yàn)證上述趨勢(shì)來。該公司目前正在推進(jìn)相對(duì)分立技術(shù)來說具有更高集成度的解決方案?！按?span id="iwridvj" 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(rèn)可，”TriQuint公司商業(yè)代工營(yíng)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(shí)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(shí)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(kuò)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?！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。”他預(yù)計(jì)，“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?！?/P>

　　工藝技術(shù)的持續(xù)發(fā)展確實(shí)在推動(dòng)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(shí)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?span id="sorigui" class=hrefStyle>單晶質(zhì)薄硅層運(yùn)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(zhǎng)型硅層的傳統(tǒng)SOS晶圓。

　　對(duì)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(qiáng)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(zhǎng)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(kuò)展質(zhì)量的基板技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高集成度的射頻前端（RFFE）IC解決方案。

　　讓我們?cè)倏纯雌渌_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(wú)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(qiáng)勁競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(jí)工程技術(shù)部副總裁Joe Johnson和CPG技術(shù)平臺(tái)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(duì)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(shí)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(chǎng)，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(dòng)力汽車提供動(dòng)力的電機(jī)驅(qū)動(dòng)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?yàn)镚aN是一種相對(duì)不太成熟的技術(shù)，因此Johnson和Gillenwater表示GaN仍然相對(duì)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(kuò)展信號(hào)從頭端到消費(fèi)者的信號(hào)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?jiǎng)龠^GaAs和硅。

　　然而，GaAs仍具有關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。例如，安華高科技公司最近利用其0.25-μm GaAs增強(qiáng)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(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中需要的射頻總級(jí)數(shù)（圖2）。此外，來自ADI公司的一系列射頻/中頻可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）同時(shí)利用GaAs和SiGe來更好地服務(wù)基站、工業(yè)/儀器和國(guó)防設(shè)備。這一系列射頻/中頻VGA（型號(hào)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(shù)字控制的中頻VGA，設(shè)計(jì)支持高中頻采樣接收器設(shè)計(jì)（參看“用IC控制無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的增益”）。

　　圖2：這個(gè)功放增益塊系列使用了GaAs增強(qiáng)型pHEMT半導(dǎo)體工藝，可減少蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中需要的總的射頻級(jí)數(shù)

　　通過采用系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP技術(shù)），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(wú)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(dòng)設(shè)備

　　除了集成度、性能和功耗要求外，移動(dòng)設(shè)備還必須平衡各種標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)。例如包括藍(lán)牙、無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）、全球定位衛(wèi)星（GPS）和各種蜂窩標(biāo)準(zhǔn)。隨著智能手機(jī)和平板電腦的不斷普及，這種要求將有增無(wú)減。

　　美信集成產(chǎn)品公司的MAX2667/MAX2669是符合這一趨勢(shì)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(jī)、個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備和其它手持設(shè)備中的GPS接收機(jī)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(wú)疑會(huì)改善接收靈敏度和讀取距離。為了完成板級(jí)設(shè)計(jì)，這兩款LNA只需要4個(gè)外部元件（加上一個(gè)用于邏輯使能型關(guān)斷的可選電阻）。MAX2667/MAX2669均采用1mm2的WLP封裝。