矽鍺BiCMOS突破成本和性能難以平衡困難

砷化鎵PA是CMOS工藝通向「單晶片手機」之路上的最後堡壘。這個堡壘並不易攻克，因為CMOS PA的性能比不上砷化鎵PA，而提高性能帶來的成本增加則會讓CMOS PA失去成本優勢。

在基帶、電源管理和射頻收發等關鍵器件相繼被CMOS工藝集成後，採用砷化鎵工藝的功率放大器（PA），成為CMOS工藝通向真正的「單晶片手機」的最後堡壘。多家初創公司一直致力用CMOS PA替代砷化鎵PA，其中AXIOM已經在2G手機上實現了千萬級的出貨量，而Javelin也宣稱今年6月份將量產CMOS工藝的3G PA。

但和初創公司的高調相比，RFMD、Anadigics和英飛凌等現有供應商仍對CMOS PA持懷疑態度，認為CMOS PA很難在成本和性能上取得平衡，即使是收購了AXIOM的Skyworks也認為CMOS PA在3G和4G等高端應用市場空間有限。而SiGe半導體等公司則在走中間路線，認為取代砷化鎵功放的將是SiGe BiCOMS工藝，而不是CMOS工藝。

成本和性能難以平衡，CMOS PA限於2G市場

眾所周知，因為符合摩爾定律，CMOS工藝的優勢是低成本、低功耗和高集成度等，從某種意義上來說，半導體技術發展的歷史就是CMOS工藝進步的歷史。Javelin公司的CEO Brad Fluke表示：「歷史證明，一旦可以基本滿足某項應用所需的性能，那麼在和其它工藝的競爭中，CMOS工藝總是勝利者。」

問題是，目前CMOS PA仍然難以在成本和性能間取得平衡，CMOS PA既達不到砷化鎵功放的性能，成本優勢也並非絕對。

一方面，雖然CMOS晶圓比砷化鎵晶圓便宜很多，但CMOS功放的面積比砷化鎵功放大，最終單個器件的成本優勢並不像想像的那麼明顯。目前6英寸GaAs晶圓可以產出大約為5，000～10，000片功放，而8英寸矽晶圓可以產出的功放數量要比這個數目少的多。這是由於CMOS器件本身的特性決定的。RFMD公司的專家表示：「在CMOS 器件中，電流是沿著晶片表面橫向流動的水平電流，而砷化鎵HBT工藝器件，電流流動是縱向流動的垂直電流。所以砷化鎵功放可以做到比CMOS功放小50%到70%。」

另一方面，從功放應用看，相對於CMOS器件，砷化鎵器件有物理材料上的優勢。雖然CMOS器件這方面的缺陷可以用更複雜的設計來彌補，但是這樣一來，會大幅提高成本。比如絕緣矽（SOI）技術在射頻領域中的應用。相比體矽基板上的CMOS電晶體，SOI技術提升了電子遷移率，有助於緩解大功率、高效率CMOS 功放製造中的一些問題。但CMOS SOI晶圓的成本遠遠高於常見模擬/混合信號CMOS工藝技術的成本。因此在3G/4G應用中，CMOS的成本優勢會更小，因為更高性能要求採用更複雜、昂貴的架構設計。

對此，深圳廣迪克科技有限公司總經理徐傑表示：「如果採用同樣的工藝節點，CMOS PA能應用的頻率比砷化鎵PA要低得多。」作為新興的射頻PA供應商，廣迪克的砷化鎵PA已經開始大量出貨，據稱在效率、最高功率等方面都達到了國際同類產品的水平。為了把握PA的技術發展趨勢，2009年末徐傑專程前往美國考察CMOS PA技術發展情況，得出的結論是近期CMOS PA不會成為主流，因此更堅定了開發砷化鎵PA的決心。

因此，在2G手機等低端應用中，由於對線性度、頻率、擊穿電壓、峰值電流、效率的要求相對較低，不需要CMOS PA採用太過複雜、昂貴的設計，因為成本優勢，未來CMOS PA的市場份額可能持續擴大，但在3G/4G等高端應用中，受限於性能和複雜設計的成本提升，CMOS PA近期不會大規模取代砷化鎵功放。

圖：2008年全球砷化鎵PA供應商排名

這從Skyworks已經售出總量超過 2，500 萬顆的GPRS應用 CMOS功放中就可見一斑。Skyworks的市場總監Thomas表示：「在對性能不十分苛求的市場領域，CMOS PA的合理成本已經使其在 GPRS 應用上極具競爭力，成為 GaAs功放的替代產品，我們相信，這種趨勢還將持續下去。」

但Thomas也坦承，在3G/4G應用上，砷化鎵依然具有顯著的性能優勢，CMOS的成本優勢也不再明顯，因此在這些無線技術領域，CMOS PA的市場佔有率不會有大幅提升。

例如在WCDMA應用中，大電流持續時間較長，電流達到400-500mA，而目前2G應用中的CMOS功放，電流超過300mA就無法承受。當然可以通過更複雜的架構設計提高CMOS功放的性能，但複雜的設計意味著更高的價格。

這些性能挑戰是由CMOS電晶體本身的物理結構所決定的。對於CMOS功放，要提高效率，需要較小的電晶體；而要增大功率，又需要較大的電晶體，這是一個難以調和的矛盾。SiGe公司亞太區市場總監高國洪表示：「CMOS功放由於輸出阻抗極低，又很難建立50歐姆負載的帶寬匹配，因此 CMOS 功放輸出級的「穩健性」（耐受天線阻抗大幅改變的能力）不太好。為了增強網際網路接入能力，增加使用iPhone等智慧型電話時的多媒體性能，手機網絡不斷提高工作頻率和帶寬，CMOS 功放因此面臨著越來越嚴峻的挑戰。」

CMOS帶來的「單晶片手機」夢想和現實

隨著CMOS PA開始商用，將PA和同樣採用CMOS工藝的基帶、RF和電源管理晶片集成在一起形成真正意義上的「單晶片手機」，是業界很自然的想法，也是PA CMOS化的革命性意義所在。然而，現實是由於對功放和基帶晶片的性能要求不同，採用的工藝節點不同，目前來看，將它們集成在一起的可能性不大。

設計功放，器件擊穿電壓是一個非常重要的指標。RFMD的專家表示：「對於功放，需要高擊穿電壓，這需要CMOS有長柵極。但是對於小信號或者基帶晶片，柵極長度越來越小。CMOS功放和小信號以及基帶晶片要求的矽技術是不一樣的，集成在一起很困難。」

現有CMOS功放的技術節點在90nm或130nm，這就給集成CMOS功放設定了一個硬性限制，當射頻收發器、基帶晶片或晶片組向65nm或32nm演進時，將不得不重建功放架構。此外，正常情況下，若器件向更小的集合尺寸發展，成本會隨之降低，而計算速度會進一步提升。但如果集成時要遷就90nm工藝的CMOS功放，基帶晶片等的成本降低和計算速度提升就會受到限制。高國洪也表示：「把CMOS 功放與RF收發器和數字基帶功能一起集成在相同的晶片上，這樣做的價值實際上非常小。」Thomas甚至表示：「從晶片成品率的角度考慮，將不同工藝節點的組件集成會帶來更多的成本。」

SiCMOS工藝：通往矽PA的現實路線？

矽基功放包括BiCMOS 和 CMOS器件，使用SiGe BiCMOS工藝的功放既具備接近砷化鎵功放的性能，又具備低端CMOS 功放所具備的成本優勢。高國洪宣稱：「在短期內，取代砷化鎵功放的矽基技術將是SiGe BiCMOS，而不是 CMOS。」

成本上，高國洪宣稱：「儘管比起 150mm GaAs HBT晶圓，帶有8至10個金屬層的200mm CMOS 晶圓具有著顯著的晶片成本優勢，但基於現有架構的CMOS PA相對BiCMOS卻沒有成本優勢。」高國洪解釋說，這是因為現在的CMOS PA 架構是圍繞RF電感的使用而構建的，能夠處理大射頻電流，但也因此而需要8至10個金屬層。相比180nm工藝技術節點下的傳統模擬/混合信號CMOS工藝技術，這些金屬層的增加致使晶圓成本提高了60%以上。此外，這些電感也使晶片尺寸大為增加。考慮到額外金屬層和晶片尺寸增加的影響， BiCMOS PA 和 CMOS PA的晶片級成本實際上差不多。

性能上，高國洪表示：「目前已達到量產狀態 （幾乎全用於手機） 的最好的CMOS功放的性能都明顯不如砷化鎵或BiCMOS功放。而且隨著 CMOS 器件的幾何尺寸縮小，要獲得GaAs 或 BiCMOS 功放性能變得更困難， 要生產出能夠克服這種缺點的CMOS 功放還得進行更多的研究工作，並需要新的架構。CMOS PA架構若沒有重大的突破和創新，不可能克服其性能缺陷。」雖然SOI技術具有提升CMOS PA性能的潛力，但SOI的成本居高不下。高國洪認為，用於射頻功放的CMOS SOI還需要數年時間才能夠將成本降至BiCMOS的晶片級成本水平。

在WLAN應用中BiCMOS功放已逐漸開始取代砷化鎵功放，而LTE、WiMAX和WLAN應用相似，它們都使用了正交頻分復用（OFDM）技術。高國洪表示：「在4G手機和行動裝置中，鑑於矽鍺BiCMOS 是一種廣泛可用的製造工藝，而目前又在WLAN領域擁有強大的主導地位，所以在手機功放和前端模塊產品領域中，矽技術最終將取代GaAs似乎已是大勢所趨。」當然他強調，手機中GaAs PA最合邏輯的取代方法是轉向矽基技術，而非特定矽CMOS。因為以矽鍺BiCMOS為首的矽BiCMOS，具有CMOS的所有成本優勢和作為GaAs工藝核心的異質結雙極型電晶體（HBT）的性能優點。

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