5G RF困扰让业界开始寻求新晶圆材料

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尽管世界移动通信大会(MWC)被取消了，但人们对5G的追求却日趋激烈，尤其是那些专注于5G RF前端模块的半导体厂商，因为硅材料的半导体性能正接近极限。

在替代硅的候选材料中，有氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)等化合物材料，以及用于提高滤波性能的压电材料(piezoelectrics)。GaAs已在4G和5G手机的功率放大器上得到广泛应用，GaN也开始在5G毫米波功率放大器市场赢得青睐。

法国Soitec公司首席执行官Paul Boudre最近在接受EE Times采访时表示，越来越多的RF芯片设计公司正在寻找“新材料来解决他们的问题”。

Soitec首席执行官Paul Boudre

Soitec (位于法国格勒诺布尔)与CEA-Leti合作开发出绝缘硅(SOI)衬底。Soitec已经在RF SOI晶圆方面取得了巨大成功(RF芯片公司将其用于制造智能手机开关和天线调谐器)，现正准备进军化合物材料的新世界来扩展他们的业务。

Boudre描绘出Soitec的计划，将为芯片厂商“开发、制造和提供基于Soitec工程衬底的新材料”。Soitec的新材料研发包括：

●压电绝缘体(POI)工程衬底——用于生产高性能表面声波(SAW)滤波器组件，主要针对4G和5G新无线电(NR)波段。
●硅基氮化镓(GaN-on-Si)和碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)外延片。Soitec去年收购了位于比利时的Imect子公司EpiGaN，获得了外延片开发和制造技术。通过将EpiGaN融入到公司中，并提供资金购买必要的工具，Soitec计划进入大批量生产的5G GaN功率放大器市场。
●今年，Soitec将开始交付碳化硅(SiC)晶圆样品，这是基于其Smart Cut专有技术而开发的。

Soitec的Smart Cut工艺可让Soitec工程师指定材料，并从这些材料上生长单晶层，然后将这些生长层从一个衬底转移到另一个衬底。这样就有可能形成晶圆片的活性层，对其进行独立于支撑机械基底的控制管理。

Soitec将Smart Cut技术应用于碳化硅的目标是为了显著改善SiC在衬底和器件级别的成本和质量。

Soitec的大部分产品是基于FD-SOI和RF-SOI衬底的，两者都利用了Smart Cut技术。同样地，Soitec最近也利用Smart Cut技术将POI投入了批量生产。下一步，则是基于Smart Cut的SiC晶片，计划在今年晚些时候出样。

为什么选择SiC?

但是现在为什么选择SiC呢?即使需求激增，SiC也面临两大挑战。首先，没有足够的SiC晶片供应。第二， SiC的良率很低。

Soitec在使用Smart Cut技术开发新的SiC晶圆时也考虑到了这些问题，并采用了应对措施，首先大幅提高了衬底上SiC层的质量，其次将现有的6英寸SiC晶圆转到8英寸晶圆以降低成本。目前，Soitec在法国格勒诺布尔有一条SiC晶圆试验生产线。

为了进一步增强这一努力成果，去年秋季Soitec宣布了与Applied Materials(应用材料公司)的联合开发计划。Applied与Soitec联手，将共同致力于碳化硅技术的材料工程创新。

Soitec全球战略执行副总裁Thomas Piliszczuk指出，基于Smart Cut的SiC有两个潜在的巨大市场。一个是电动车逆变器，可以大幅提高电池寿命。另一个是把握“5G基站对功率放大器的高能效和严格线性要求的巨大需求”。

Soitec全球战略执行副总裁Thomas Piliszczuk

鉴于现在市场上SiC晶圆短缺，Soitec有什么商业模式和计划呢?Boudre说：“这是个很好的问题。我们可以成为自己的SiC晶片供应商，也可以授权给别家合作。”无论采用哪种方式，他表示，“我们的目标是加强SiC晶圆的供应、提高质量，并加快6英寸晶圆转换。这些都将有助于使碳化硅晶圆的成本结构更具竞争力。”

寻找硅之外的新材料

RF半导体设计者都在挖空心思为5G系统寻找新材料和新设计/架构。但是为什么会这样呢?


由于5G使用不同的高频频段来实现高速数据传输，因此5G RF前端模块所需要的功率放大器、滤波器、开关、LNA和天线调谐器的需求量倍增，速度之快令人措手不及。对于智能手机设计者来说，庞大的零部件数量(其中许多仍是独立部件)很让人头疼，他们必须将所有这些RF模块全部塞到一部5G手机里。

5G智能手机开发商也担心RF器件的质量、散热和能效问题，因为这些都可能降低RF前端模块的性能。

此外，并不是每个RF器件都使用相同的材料或相同的技术。如前所述，POI用来改善滤波性能。GaAs一直是功率放大器(PA)的主要材料。但如今许多PA供应商都在认真研究GaN。另一方面，作为一种专用的SOI工艺，RF SOI已成为制造RF芯片的标准，比如用于3G、4G和5G智能手机和其他产品的开关器件和天线调谐器。

正如Boudre所解释的，Soitec公司2016年推出的RF-SOI已经赢得了很多RF器件客户。这些客户让Soitec大开眼界，因为每一家RF芯片公司都在寻找新的材料和衬底，以满足5G RF的严格要求。

智能手机和基站用的功率放大器就是一个很好的例子。

5G无线应用中的PA芯片与4G网络中使用的大不相同。5G传输的宽带调制要求功率放大器具有高能效和严格的线性度。此外，5G网络将采用相控阵天线来聚焦和控制多个波束。例如，使用4×4相控阵天线，功率放大器的功耗必须远低于目前蜂窝通信系统中常见的单波束信号控制。

随着5G网络以毫米波(mmWave)的频率传输，情况变得更加复杂了。与sub-6GHz系统相比，mmWave系统面临着更为复杂的RF设计挑战。

多输入多输出(MIMO)天线是5G设备的必备器件，因为天线须在密集部署的环境中为许多设备服务，它们需要高能效和严格线性度的功率放大芯片。连接众多RF前端器件的相控阵MIMO天线也需要功率放大器以较低的成本提供更大的集成度。

就因为5G手机和基站对功率放大器的严格要求，才促使Soitec收购EpiGaN。

在Soitec GaN业务部门的Markus Behet、Joff Derluyn、Stefan Degroote和Marianne Germain共同撰写的一篇文章中，列出了针对5G基础设施和手机架构的RF半导体器件应具备的必要属性，即“高效、紧凑、低成本、高功率密度和线性度”。该文章称，“从宽带性能、功率密度和效率来看，传统技术——主要是硅基LDMOS(横向扩散的金属氧化物半导体)或GaAs——是无法与GaN HEMTs(高电子迁移率晶体管)相匹敌的，无论它们是基于硅衬底还是SiC基底。”

在文章作者们看来，GaN技术“可满足5G严格的散热规范，同时为密集的大规模MIMO天线阵列保留了宝贵的PCB空间。”在基站中，分立设计已经被节省空间的多功能GaN MMIC和多芯片模块所取代。

高通公司呢?

这么多硅之外的新材料出现，应该都能够集成进5G mmWave RF前端模块，高通的解决方案是什么呢?

Yole Développement的电力和无线业务总监Claire Troadec注意到，高通研究了现有的可行方案，但最终还是选择了硅基RF方案。

Boudre指出，很可能是因为这是高通的第一代5G mmWave RF前端模块。他相信，利用GaN-on-Si技术的RF方案可能会在高通的第三或第四代5G RF模块中发挥作用。

GaN-on-SiC对比GaN-on-Si

EpiGaN同时开发出碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)和硅基氮化镓(GaN-on-Si)晶圆。
二者有什么不同呢?

Piliszczuk解释说，这两者的目标市场相同。“目前，碳化硅基氮化镓处于领先地位”，因为更成熟。他说道。“多家器件供应商都在研究同样适用于手机的GaN-on-Si解决方案。”

在应用方面，碳化硅基氮化镓如今已被用于无线基础设施(4G/LTE基站)、国防和通信卫星领域。Piliszczuk观察到，“在这些领域，必须有最高性能和可靠性”。“碳化硅基氮化镓也是5G MIMO基础设施的有力竞争者，”他补充道。

Piliszczuk承认，硅基氮化镓具有与碳化硅基氮化镓类似的RF性能，但还不够成熟，并且存在与硅衬底相关的散热问题。

但Soitec很看好硅基氮化镓，因为它可利用硅工艺固有的规模经济优势。Piliszczuk认为硅基氮化镓可以“开拓新的大批量和消费市场”。据Soitec称，EpiGaN/Soitec已经能提供200mm的GaN-on-Si产品。GaN-on-Si也是5G基础设施和手机的有力竞争者。

Antoine Bonnabel是Yole Développement电力和无线业务部门负责RF器件及技术的分析师，他对此保持谨慎看法。

他告诉EE Times，“硅基氮化镓不够成熟，还没有达到商用要求。”与此同时，他解释说，“碳化硅基氮化镓已经商用”。这两种工艺的目标都是针对同一应用：高频应用的功率放大。

据Bonnabel称，“现在的问题是，与硅基方案相比，碳化硅基氮化镓技术仍然太贵。对于大规模MIMO的低功耗功率放大器，或频率低于3 GHz的功率放大器，情况尤为如此。此外，它还不能集成到像大规模MIMO这类小功率设备中。”

他认为，“仅仅在没有其它解决方案的情况下才会使用碳化硅基氮化镓，例如在频率超过3 GHz的大功率功放，包括目前处于试验/部署阶段的n77 - n79频段通常使用的20W功率放大器。”

另一方面，Bonnabel说，“GaN-on-Si解决方案不如GaN-on-SiC好，但前者的成本可能做到更低。”

他解释说，这意味着硅基氮化镓可以在低功率放大方面与硅基LDMOS技术竞争，这得益于其足够低的价格和集成能力(碳化硅基氮化镓却没有这样的优势)。

Bonnabel总结道：“如果Soitec或其它公司能够以合理的价格生产出高质量的硅基氮化镓，那它就能与硅基技术竞争。”然后，它就会进入大规模MIMO所需的低功率放大器市场。最终，还可能在高功率应用中替代GaN-on-SiC。”

当被问及Soitec的EpiGaN赌注策略时，这位Yole的分析师表示，“Soitec一贯勇于探索新的市场，并提供最佳的衬底材料和技术。Yole预计Soitec在GaN技术上也会这样做。”

替代材料和结构的未来

研究人员展望未来，预期芯片设计师将利用不同的材料进行3D集成。Imec的项目总监Nadine Collaert在最近ISSCC的一次全体会议上说道：“半导体行业正在向频率更高和效率更高的方向发展。一种选择是将III-V族材料(如GaN和SiC)与CMOS相结合使用，以获得两种材料的优点”。她说，“这可以通过3D集成来实现。”她列举了几个例子，其中包括3D纳米脊的图像，就是采用在绝缘硅(SOI)衬底上生长的III-V族材料。然而，她特别指出，“要实现这一点，还有很多工作要做。”

Soitec首席执行官Boudre在巴塞罗那接受采访时指出，在芯片的制造技术上，RF芯片公司希望有多种选择。根据其RF前端解决方案的设计和架构要求，“我们认为向客户提供广泛的解决方案选择是我们应该做的，从FD-SOI、RF-SOI到GaN和SiC。”在他看来，将来会开发出一系列新的工程衬底材料。

“我们相信迟早有一天可以在硅上开发出GaN-on-SiC。为什么不可以呢?”

作者：Junko Yoshida
责编：Amy Guan
本文为EET电子工程专辑原创文章，如需转载，请留言


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