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【芯视野】 RF-SOI:毫米波时代射频前端的终极答案?

来源:爱集微

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08-18 15:12

集微网报道 RF-SOI技术的“出镜率”并不算高,但作为一种重要的射频芯片材料技术,它已经无处不在。正如Soitec移动通信部门高级业务发展经理Luis Andia所指出,“日常生活中的很多设备上都有RF- SOI的身影,还有每天使用的物联网设备上,如智能耳机、手表等,而且不限于蜂窝通信,蓝牙、Wi-Fi以及超宽带UWB背后都有其存在。”

RF-SOI已经占据了整个SOI市场最大的份额,由于各种便携设备对射频前端的需求激增,这个份额还会继续扩大。尤其是在射频器件面临着更宽的频谱和更高的数据传输速率这两大挑战时,拥有优异特性的RF- SOI正在成为厂商实现创新、节能和高效解决方案的重要选择。

起飞和加速:两个重要节点

图 RF-SOI在智能手机中的变迁(数据来源:Soitec)

据Luis Andia介绍,RF-SOI首次进入智能手机是在2010年,当时只有RF-SOI可以满足智能手机对高性能开关的需求,因此很快就被应用到射频开关和其他一些射频前端控制器件中。

射频开关是射频系统中的关键器件,对无线信号起到通路选择(路由)的作用。制造射频开关传统的材料是GaAs,优点是射频性能好、击穿电压高,缺点是成本高、难于集成。与之相对,RF-SOI可同时提供优良的射频性能和低廉的成本,并且易于集成,因此逐渐取代了GaAs和更为昂贵的蓝宝石上硅(SOS)技术。

在2016年,随着LTE技术演进而来,出现了更多复杂的射频模块,RF-SOI也随之被应用到天线调谐器以及更多的射频开关当中。而到2018年时,用RF-SOI技术制作的低噪声放大器(LNA)也开始出现。整个RF-SOI产业链开始呈现爆发的趋势。

迦美信芯董事长倪文海认为这得益于RF-SOI具有开发和制造上的独特优势,“除了采用特殊的SOI衬底之外,RF-SOI的工艺和IC设计流程,跟一般Bulk CMOS工艺线非常相似;由于采用12英寸衬底,其成本比传统的P-Hemt工艺低很多,而相对于GaAs, 其集成度则更高。”

倪文海指出RF-SOI是设计开关、LNA的理想工艺线选择,“95%以上的开关采用了RF-SOI;LNA中还有少数厂家采用SiGe或P-Hempt工艺,所以使用率应该在85-95%左右,也属于占据绝对统治地位。”

进入5G时代以后,RF-SOI更加如鱼得水,不但稳固了5G Sub 6GHz频段射频开关的主流工艺地位,还将更多射频器件纳入势力范围。据统计,RF-SOI 器件的比例正在不断增加,Sub-6GHz频段中,RF-SOI含量比4G要高出60%。

沪硅产业相关人士(下称沪硅产业人士)指出其中原因,5G技术大幅度增加了射频前端模块的复杂性,相关射频芯片的数量需求也相应上升,从而导致市场对RF-SOI的需求大幅增长。

Luis Andia亦表示:“5G时代,手机需要更复杂和更高集成度的射频模块,除射频开关和LNA外,接近100%的天线调谐器也在使用RF-SOI技术。”

不仅如此,RF-SOI还开始渗透更多的领域,“除了手机之外,各类基站、WI-FI和部分IoT终端设备等,都会使用基于RF-SOI衬底的芯片。”沪硅产业人士表示。

应用和技术:双维度进化

向毫米波频段延伸将是5G发展不可逆的方向,将给RF-SOI提供继续成长的动能。

从特性进行分析,RF-SOI有着完美适配毫米波通信的几大优势。首先,RF-SOI工艺支持的工作频率很高,Ft/Fmax满足毫米波工作频率3~5倍的要求;第二,RF-SOI可以实现器件堆叠(device stacking),可同时提高功率与能效比;第三,RF-SOI工艺采用的衬底降低了寄生效应,制造出来的射频芯片品质因数更高、损耗更低、噪声系数更好;最后,RF-SOI具备后栅极偏压可调(Back-gate bias)功能,利用该功能可微调毫米波射频线路以适应使用需求。

沪硅产业人士相信毫米波通信将会给RF-SOI提供更多机会,“未来毫米波方案可能会要求基站密度较大、传输距离相对较短,对传输信号的功率要求相对较低,从而给射频前端芯片进一步集成PA等器件带来机会,而这会带来市场对RF-SOI衬底材料的需求提升。”

从RF-SOI本身而言,不断的进化也使其具备了应对高级别挑战的条件。在2G和3G时代的射频开关中,广泛使用的RF-SOI是HR-SOI(HR指高电阻率),这种衬底显著降低了电阻率损耗和串扰。

但是,HR-SOI缺陷同样明显。当晶体管功率增加时,在埋层氧化物(BOX)和HR衬底之间会产生寄生电荷,其电阻率会降低,线性度也会随之降低,最终导致信号失真,这对于 5G 时代的高集成模块绝对是一个重大挑战。要解决这个问题,就需要在BOX和HR衬底之间加入工程层,其中包含高密度的电活性陷阱。 

这个工程层就是富陷阱层。Luis Andia指出,通过富陷阱层,能够捕捉氧化埋层以及高电阻操作层中游离的寄生电荷(parasitic charge)。这样保证了衬底有非常高的电阻率,进而带来极高的线性度,不仅仅是为晶体管,也包括其他的无源器件。

图 HR-SOI与RFeSI-SOI的对比(数据来源:Soitec)

加入富陷阱层的RF-SOI包括RFeSI SOI和iFEM-SOI(两者区别于富陷阱层的厚度),均可以实现更高的线性度和隔离规范,使设计人员能够满足最严格的射频规范要求。

“由于富陷阱层能实现非常好的隔离,不管是数字信号还是模拟信号,即便是在这个非常复杂的5G 毫米波射频前端,也能够实现隔离,从而防止信号串扰。”Luis Andia表示。

 在汽车TCU中的多射频系统(源自Soitec)

隔离度增加同时意味着RF-SOI进入了汽车电子系统,一个典型实例就是汽车中的TCU(远程信息处理控制单元),其中采用了多个基于RF-SOI的射频系统。Luis Andia表示:“当代汽车对于连接性的需求和依赖程度更高,不仅要使用蜂窝网络,也非常依赖V2X的连接,还要使用专属的近距离通信系统,包括Wi-Fi、蓝牙等,而使用RF-SOI就可以让几种不同的射频系统在内部和谐共存。”

衬底和代工:产业链的源泉

根据Gartner的数据,2020-2021年全球SOI市场规模略高于10亿美元,预计未来5年将增加一倍以上。RF-SOI目前占据了其中的6成,随着射频技术的不断进步,未来整体产能与市占率有望继续扩增。

如同水坝之于河流一样,最上游的衬底材料和晶圆代工对产业发展起到了至关重要的作用。当前的SOI衬底供应商主要有法国Soitec、日本信越(Shin-Etsu)、中国台湾地区的环球晶圆、同为沪硅产业子公司的上海新傲和芬兰Okmetic,以及日本胜高(SUMCO)等。其中,Soitec是绝对的市场龙头,掌握了核心技术和主要市场份额。仅在RF-SOI衬底市场,Soitec公司就拿走了70%的全球市场份额,可以供应8英寸和12英寸的RF-SOI衬底,信越公司和环球晶圆则紧随其后,分别位列RF-SOI衬底供应商的第二和第三名。

Luis Andia告诉集微网,Soitec一直在致力于提升产能,“我们最近有2项新的产能提升计划,一个是位于法国的200mm碳化硅工厂,目标是每年生产50万片;同时还有位于新加坡的年产100万片的300mm晶圆厂,可以用于生产不同类型的优化衬底产品,比如RF-SOI和FD-SOI。”

据Soitec最新的财报,其RF-SOI衬底的增长主要来自于12英寸衬底,原因就是新加坡工厂产能持续放量。

国内的SOI衬底在多年发展后也初具规模。据沪硅产业人士介绍,新傲科技和Okmetic均是国际8英寸及以下尺寸SOI硅片的主要供应商之一,技术处于全球先进水平。新傲科技提供了国内目前所需的8英寸RF-SOI衬底,同时还在为国外的主流Fab厂批量供货。2022年,新傲科技已完成200mm SOI生产线扩容,产能由3万片/月提升至4万片/月,以更好地满足射频等应用市场需求的持续上涨。

沪硅产业人士也指出,国内目前还没有12英寸SOI衬底的产能,新傲科技的12英寸产能建设正在如期推进中,国内市场的需求暂时由国外衬底厂商提供。

在晶圆代工方面,格芯、Tower Jazz(被Intel收购)、三星、ST、联电、华虹宏力与中芯国际是主要供应商。据业内人士介绍,格芯与Tower Jazz同属RF-SOI代工第一梯队,但Tower Jazz更胜一筹,其位于以色列、美国和日本的晶圆厂均能支持当前主流工艺,总产能更是排名第一。

相对而言,国内的RF-SOI器件生产制造能力比国外仍有不足,8英寸仅有少量产品,且主要用于低端。

好消息是,国内追赶的步伐正在加快。沪硅产业人士表示,“从2021年开始,国内的好几家12英寸Fab厂已开始布局12英寸的RF-SOI工艺平台,瞄准55nm-65nm节点,旨在赶上国外工艺技术水平,目前各工艺平台均在开发周期中。”

结语

不同通信系统的融合正在加速,促使射频前端的模块化成为趋势,同时也带来两大挑战:一是温度管理,二是干扰。

对于前者,可以用能量密度更高的GaN来化解,后者则可以用RFeSI和POI来应对。所以,RF-SOI足够优秀却不能包治百病,面对越来越复杂的射频系统,只有多种技术相互补充,才能呈现最完美的解决方案。

这就好比SOI同FinFET的关系一样,虽然没能成为先进工艺的正选,但正是因为SOI的别样发展,才让More than Moore不是一句空话。(校对/李映)


责编: 张轶群

李晓延

作者

微信:Glxy523

邮箱:lixy@lunion.com.cn

作者简介

集微网记者,关注半导体投资、晶圆制造、IC设计、AI等领域

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