5G RF困擾促使Soitec尋求新的晶圓材料

儘管世界移動通信大會(MWC)被取消了，但人們對5G的追求卻日趨激烈，尤其是那些專注於5G RF前端模塊的半導體廠商，因為矽材料的半導體性能正接近極限。ZaAEETC-電子工程專輯

在替代矽的候選材料中，有氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、碳化矽(SiC)等化合物材料，以及用於提高濾波性能的壓電材料(piezoelectrics)。GaAs已在4G和5G手機的功率放大器上得到廣泛應用，GaN也開始在5G毫米波功率放大器市場贏得青睞。ZaAEETC-電子工程專輯

法國Soitec公司執行長Paul Boudre最近在接受EE Times採訪時表示，越來越多的RF晶片設計公司正在尋找「新材料來解決他們的問題」。ZaAEETC-電子工程專輯

Soitec執行長Paul BoudreZaAEETC-電子工程專輯

Soitec (位於法國格勒諾布爾)與CEA-Leti合作開發出絕緣矽(SOI)襯底。Soitec已經在RF SOI晶圓方面取得了巨大成功(RF晶片公司將其用於製造智慧型手機開關和天線調諧器)，現正準備進軍化合物材料的新世界來擴展他們的業務。ZaAEETC-電子工程專輯

Boudre描繪出Soitec的計劃，將為晶片廠商「開發、製造和提供基於Soitec工程襯底的新材料」。Soitec的新材料研發包括：ZaAEETC-電子工程專輯

●壓電絕緣體(POI)工程襯底——用於生產高性能表面聲波(SAW)濾波器組件，主要針對4G和5G新無線電(NR)波段。ZaAEETC-電子工程專輯

●矽基氮化鎵(GaN-on-Si)和碳化矽基氮化鎵(GaN-on-SiC)外延片。Soitec去年收購了位於比利時的Imect子公司EpiGaN，獲得了外延片開發和製造技術。通過將EpiGaN融入到公司中，並提供資金購買必要的工具，Soitec計劃進入大批量生產的5G GaN功率放大器市場。ZaAEETC-電子工程專輯

●今年，Soitec將開始交付碳化矽（SiC）晶圓樣品，這是基於其Smart Cut專有技術而開發的。ZaAEETC-電子工程專輯

Soitec的Smart Cut工藝可讓Soitec工程師指定材料，並從這些材料上生長單晶層，然後將這些生長層從一個襯底轉移到另一個襯底。這樣就有可能形成晶圓片的活性層，對其進行獨立於支撐機械基底的控制管理。ZaAEETC-電子工程專輯

Soitec將Smart Cut技術應用於碳化矽的目標是為了顯著改善SiC在襯底和器件級別的成本和質量。ZaAEETC-電子工程專輯

Soitec的大部分產品是基於FD-SOI和RF-SOI襯底的，兩者都利用了Smart Cut技術。同樣地，Soitec最近也利用Smart Cut技術將POI投入了批量生產。下一步，則是基於Smart Cut的SiC晶片，計劃在今年晚些時候出樣。ZaAEETC-電子工程專輯

為什麼選擇SiC？

但是現在為什麼選擇SiC呢？即使需求激增，SiC也面臨兩大挑戰。首先，沒有足夠的SiC晶片供應。第二， SiC的良率很低。ZaAEETC-電子工程專輯

Soitec在使用Smart Cut技術開發新的SiC晶圓時也考慮到了這些問題，並採用了應對措施，首先大幅提高了襯底上SiC層的質量，其次將現有的6英寸SiC晶圓轉到8英寸晶圓以降低成本。目前，Soitec在法國格勒諾布爾有一條SiC晶圓試驗生產線。ZaAEETC-電子工程專輯

為了進一步增強這一努力成果，去年秋季Soitec宣布了與Applied Materials（應用材料公司）的聯合開發計劃。Applied與Soitec聯手，將共同致力於碳化矽技術的材料工程創新。ZaAEETC-電子工程專輯

Soitec全球戰略執行副總裁Thomas Piliszczuk指出，基於Smart Cut的SiC有兩個潛在的巨大市場。一個是電動車逆變器，可以大幅提高電池壽命。另一個是把握「5G基站對功率放大器的高能效和嚴格線性要求的巨大需求」。ZaAEETC-電子工程專輯

Soitec全球戰略執行副總裁Thomas PiliszczukZaAEETC-電子工程專輯

鑑於現在市場上SiC晶圓短缺，Soitec有什麼商業模式和計劃呢？Boudre說：「這是個很好的問題。我們可以成為自己的SiC晶片供應商，也可以授權給別家合作。」無論採用哪種方式，他表示，「我們的目標是加強SiC晶圓的供應、提高質量，並加快6英寸晶圓轉換。這些都將有助於使碳化矽晶圓的成本結構更具競爭力。」ZaAEETC-電子工程專輯

尋找矽之外的新材料

RF半導體設計者都在挖空心思為5G系統尋找新材料和新設計/架構。但是為什麼會這樣呢？ZaAEETC-電子工程專輯

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由於5G使用不同的高頻頻段來實現高速數據傳輸，因此5G RF前端模塊所需要的功率放大器、濾波器、開關、LNA和天線調諧器的需求量倍增，速度之快令人措手不及。對於智慧型手機設計者來說，龐大的零部件數量（其中許多仍是獨立部件）很讓人頭疼，他們必須將所有這些RF模塊全部塞到一部5G手機裡。ZaAEETC-電子工程專輯

5G智慧型手機開發商也擔心RF器件的質量、散熱和能效問題，因為這些都可能降低RF前端模塊的性能。ZaAEETC-電子工程專輯

此外，並不是每個RF器件都使用相同的材料或相同的技術。如前所述，POI用來改善濾波性能。GaAs一直是功率放大器(PA)的主要材料。但如今許多PA供應商都在認真研究GaN。另一方面，作為一種專用的SOI工藝，RF SOI已成為製造RF晶片的標準，比如用於3G、4G和5G智慧型手機和其他產品的開關器件和天線調諧器。ZaAEETC-電子工程專輯

正如Boudre所解釋的，Soitec公司2016年推出的RF-SOI已經贏得了很多RF器件客戶。這些客戶讓Soitec大開眼界，因為每一家RF晶片公司都在尋找新的材料和襯底，以滿足5G RF的嚴格要求。ZaAEETC-電子工程專輯

智慧型手機和基站用的功率放大器就是一個很好的例子。ZaAEETC-電子工程專輯

5G無線應用中的PA晶片與4G網絡中使用的大不相同。5G傳輸的寬帶調製要求功率放大器具有高能效和嚴格的線性度。此外，5G網絡將採用相控陣天線來聚焦和控制多個波束。例如，使用4×4相控陣天線，功率放大器的功耗必須遠低於目前蜂窩通信系統中常見的單波束信號控制。ZaAEETC-電子工程專輯

隨著5G網絡以毫米波(mmWave)的頻率傳輸，情況變得更加複雜了。與sub-6GHz系統相比，mmWave系統面臨著更為複雜的RF設計挑戰。ZaAEETC-電子工程專輯

多輸入多輸出(MIMO)天線是5G設備的必備器件，因為天線須在密集部署的環境中為許多設備服務，它們需要高能效和嚴格線性度的功率放大晶片。連接眾多RF前端器件的相控陣MIMO天線也需要功率放大器以較低的成本提供更大的集成度。ZaAEETC-電子工程專輯

就因為5G手機和基站對功率放大器的嚴格要求，才促使Soitec收購EpiGaN。ZaAEETC-電子工程專輯

在Soitec GaN業務部門的Markus Behet、Joff Derluyn、Stefan Degroote和Marianne Germain共同撰寫的一篇文章中，列出了針對5G基礎設施和手機架構的RF半導體器件應具備的必要屬性，即「高效、緊湊、低成本、高功率密度和線性度」。該文章稱，「從寬帶性能、功率密度和效率來看，傳統技術——主要是矽基LDMOS（橫向擴散的金屬氧化物半導體）或GaAs——是無法與GaN HEMTs（高電子遷移率電晶體）相匹敵的，無論它們是基於矽襯底還是SiC基底。」ZaAEETC-電子工程專輯

在文章作者們看來，GaN技術「可滿足5G嚴格的散熱規範，同時為密集的大規模MIMO天線陣列保留了寶貴的PCB空間。」在基站中，分立設計已經被節省空間的多功能GaN MMIC和多晶片模塊所取代。ZaAEETC-電子工程專輯

高通公司呢？

這麼多矽之外的新材料出現，應該都能夠集成進5G mmWave RF前端模塊，高通的解決方案是什麼呢？ZaAEETC-電子工程專輯

Yole Développement的電力和無線業務總監Claire Troadec注意到，高通研究了現有的可行方案，但最終還是選擇了矽基RF方案。ZaAEETC-電子工程專輯

Boudre指出，很可能是因為這是高通的第一代5G mmWave RF前端模塊。他相信，利用GaN-on-Si技術的RF方案可能會在高通的第三或第四代5G RF模塊中發揮作用。ZaAEETC-電子工程專輯

GaN-on-SiC對比GaN-on-Si

EpiGaN同時開發出碳化矽基氮化鎵(GaN-on-SiC)和矽基氮化鎵(GaN-on-Si)晶圓。ZaAEETC-電子工程專輯

二者有什麼不同呢？ZaAEETC-電子工程專輯

Piliszczuk解釋說，這兩者的目標市場相同。「目前，碳化矽基氮化鎵處於領先地位」，因為更成熟。他說道。「多家器件供應商都在研究同樣適用於手機的GaN-on-Si解決方案。」ZaAEETC-電子工程專輯

在應用方面，碳化矽基氮化鎵如今已被用於無線基礎設施（4G/LTE基站）、國防和通信衛星領域。Piliszczuk觀察到，「在這些領域，必須有最高性能和可靠性」。「碳化矽基氮化鎵也是5G MIMO基礎設施的有力競爭者，」他補充道。ZaAEETC-電子工程專輯

Piliszczuk承認，矽基氮化鎵具有與碳化矽基氮化鎵類似的RF性能，但還不夠成熟，並且存在與矽襯底相關的散熱問題。ZaAEETC-電子工程專輯

但Soitec很看好矽基氮化鎵，因為它可利用矽工藝固有的規模經濟優勢。Piliszczuk認為矽基氮化鎵可以「開拓新的大批量和消費市場」。據Soitec稱，EpiGaN/Soitec已經能提供200mm的GaN-on-Si產品。GaN-on-Si也是5G基礎設施和手機的有力競爭者。ZaAEETC-電子工程專輯

Antoine Bonnabel是Yole Développement電力和無線業務部門負責RF器件及技術的分析師，他對此保持謹慎看法。ZaAEETC-電子工程專輯

他告訴EE Times，「矽基氮化鎵不夠成熟，還沒有達到商用要求。」與此同時，他解釋說，「碳化矽基氮化鎵已經商用」。這兩種工藝的目標都是針對同一應用：高頻應用的功率放大。ZaAEETC-電子工程專輯

據Bonnabel稱，「現在的問題是，與矽基方案相比，碳化矽基氮化鎵技術仍然太貴。對於大規模MIMO的低功耗功率放大器，或頻率低於3 GHz的功率放大器，情況尤為如此。此外，它還不能集成到像大規模MIMO這類小功率設備中。」ZaAEETC-電子工程專輯

他認為，「僅僅在沒有其它解決方案的情況下才會使用碳化矽基氮化鎵，例如在頻率超過3 GHz的大功率功放，包括目前處於試驗/部署階段的n77 - n79頻段通常使用的20W功率放大器。」ZaAEETC-電子工程專輯

另一方面，Bonnabel說，「GaN-on-Si解決方案不如GaN-on-SiC好，但前者的成本可能做到更低。」ZaAEETC-電子工程專輯

他解釋說，這意味著矽基氮化鎵可以在低功率放大方面與矽基LDMOS技術競爭，這得益於其足夠低的價格和集成能力（碳化矽基氮化鎵卻沒有這樣的優勢）。ZaAEETC-電子工程專輯

Bonnabel總結道：「如果Soitec或其它公司能夠以合理的價格生產出高質量的矽基氮化鎵，那它就能與矽基技術競爭。」然後，它就會進入大規模MIMO所需的低功率放大器市場。最終，還可能在高功率應用中替代GaN-on-SiC。」ZaAEETC-電子工程專輯

當被問及Soitec的EpiGaN賭注策略時，這位Yole的分析師表示，「Soitec一貫勇於探索新的市場，並提供最佳的襯底材料和技術。Yole預計Soitec在GaN技術上也會這樣做。」ZaAEETC-電子工程專輯

替代材料和結構的未來

研究人員展望未來，預期晶片設計師將利用不同的材料進行3D集成。Imec的項目總監Nadine Collaert在最近ISSCC的一次全體會議上說道：「半導體行業正在向頻率更高和效率更高的方向發展。一種選擇是將III-V族材料（如GaN和SiC）與CMOS相結合使用，以獲得兩種材料的優點」。她說，「這可以通過3D集成來實現。」她列舉了幾個例子，其中包括3D納米脊的圖像，就是採用在絕緣矽(SOI)襯底上生長的III-V族材料。然而，她特別指出，「要實現這一點，還有很多工作要做。」ZaAEETC-電子工程專輯

Soitec執行長Boudre在巴塞隆納接受採訪時指出，在晶片的製造技術上，RF晶片公司希望有多種選擇。根據其RF前端解決方案的設計和架構要求，「我們認為向客戶提供廣泛的解決方案選擇是我們應該做的，從FD-SOI、RF-SOI到GaN和SiC。」在他看來，將來會開發出一系列新的工程襯底材料。ZaAEETC-電子工程專輯

 「我們相信遲早有一天可以在矽上開發出GaN-on-SiC。為什麼不可以呢？」ZaAEETC-電子工程專輯

(參考原文：5G RF Issues Send Soitec Seeking New Wafer Material)ZaAEETC-電子工程專輯

責編：Amy GuanZaAEETC-電子工程專輯

本文將刊登於《電子工程專輯》2020年4月刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。點擊申請免費雜誌訂閱 ZaAEETC-電子工程專輯