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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(lái)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(lái)越少見(jiàn)。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(mǎn)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(lái)。該公司目前正在推進(jìn)相對(duì)分立技術(shù)來(lái)說(shuō)具有更高集成度的解決方案?！按蠊β蔊aNon-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(xiāo)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(shù)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(guò)傳統(tǒng)的數(shù)字預(yù)失真（DPD）技術(shù)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性化。”
為了滿(mǎn)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。“這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(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(lái)說(shuō)，Peregrine半導(dǎo)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(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(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(lán)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(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粚訂尉з|(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(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(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_(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(yīng)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(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(lái)說(shuō)，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(chē)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(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?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(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(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(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?jiǎng)龠^(guò)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(guò)提供高增益，這些功放有望大幅減少無(wú)線(xiàn)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(lái)自ADI公司的一系列射頻/中頻可變?cè)鲆娣糯笃?/u>（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(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(xiàn)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(guò)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)。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(lái)說(shuō)，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(chē)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(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?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(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(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(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?jiǎng)龠^(guò)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(guò)提供高增益，這些功放有望大幅減少無(wú)線(xiàn)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(lái)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(lái)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的增益”）。
通過(guò)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(xiàn)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(lái)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。?
圖3：這些接收器均采用15-x-22mm LGA封裝，支持定向轉(zhuǎn)換或中頻采樣設(shè)計(jì)，可為3G/4G蜂窩基站接收器提供架構(gòu)性技術(shù)選擇
RFMD公司還專(zhuān)門(mén)針對(duì)智能手機(jī)和平板電腦推出了許多基于SOI的開(kāi)關(guān)產(chǎn)品。由于這些移動(dòng)設(shè)備中多種射頻標(biāo)準(zhǔn)（GSM/WCDMA/LTE/WiFi/藍(lán)牙）要求共存，因此這些開(kāi)關(guān)產(chǎn)品承諾提供領(lǐng)先的開(kāi)關(guān)線(xiàn)性度和諧波性能。RFMD公司的這一SOI開(kāi)關(guān)產(chǎn)品組合包括RF1603A（SP3T）、RF1604（SP4T）和RF1291（SP10T）天線(xiàn)開(kāi)關(guān)模塊。
Skyworks公司提供的一系列表貼功放模塊僅憑單個(gè)封裝就能提供完整的寬帶碼分多址（WCDMA）覆蓋，頻率分別覆蓋1920MHz至1980MHz（SKY77701）、850MHz至1910MHz（SKY77702）、1710MHz至1785MHz（SKY77703）、824MHz至849MHz（SKY77704）和880MHz至915MHz（SKY77705）。這些器件可以滿(mǎn)足高速下行鏈路數(shù)據(jù)包訪(fǎng)問(wèn)（HSDPA）、高速上行數(shù)據(jù)包訪(fǎng)問(wèn)（HSUPA）和長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）數(shù)據(jù)傳輸?shù)膰?yán)格頻譜線(xiàn)性要求，并具有較高的功率附加效率（PAE）。這些模塊中還集成了定向耦合器，無(wú)需再使用任何外部耦合器。***HTC公司推出的包括EVO、Desire HD和Z在內(nèi)的系列智能手機(jī)中就已經(jīng)采用了這些功放。
顯然，工藝技術(shù)為了滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)和其它應(yīng)用需求而推進(jìn)發(fā)展的速度是相當(dāng)令人驚嘆的。雖然集成技術(shù)在更多的時(shí)候是首選，但分立技術(shù)在智能手機(jī)之外的應(yīng)用中仍有龐大需求。正如RFMD公司的Johnson和Gillenwater總結(jié)的那樣，“目前無(wú)線(xiàn)應(yīng)用使用許多種工藝技術(shù)，如GaAs HBT、pHEMT、BiFET、SiGe、SOI和CMOS等。在性能方面要求最嚴(yán)格的應(yīng)用將繼續(xù)使用化合物半導(dǎo)體。在性能要求不是太高的場(chǎng)合，可以使用硅（Si）。隨著GaAs解決方案的成本持續(xù)走低（裸片縮小，更大批量），沒(méi)有更好的理由要去改變技術(shù)。
“今后幾年值得期待的、令人感興趣的新技術(shù)無(wú)疑是BiFET和SOI?！彼麄兝^續(xù)指出。“SOI對(duì)無(wú)線(xiàn)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一種相對(duì)新的Si技術(shù)，具有一些令人感興趣的射頻特性，因此是低功耗射頻電路和開(kāi)關(guān)的理想解決方案。GaAs BiFET將HBT和pHEMT整合為一種技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)更高集成度而不犧牲性能，同時(shí)還能降低成本。LNA、中等功率射頻開(kāi)關(guān)、HBT功放和低密度模塊控制電路可以集成在單塊GaAs基板上?！碑?dāng)然，有關(guān)哪種工藝技術(shù)能夠最好地服務(wù)哪種應(yīng)用的爭(zhēng)論仍將繼續(xù)下去。
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