以硅材料为基础的半导体工艺技术在上世纪开始随着光纤通讯、互联网和无线接入技术的高速发展,面临新的技术瓶颈而催生了以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料的发展需求,成为制造高性能微波、毫米波器件及发光器件的优选材料。随着 WIFI、4G 以及即将部署的 5G 无线宽带技术的汹涌而至,包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等在内的第三代半导体材料逐步发展起来。
 
但是,这些新兴的半导体工艺技术真能充分满足以 5G 为代表的业务需求吗?5G 对系统及器件提出了高速、宽带、低功耗、高频及低时延等多项技术要求。例如,5G 系统工作频率从低频到 100GHz、带宽从 20MHz 到超过 1GHz,而功率放大器的平均输出功率从几瓦到几十瓦。特别是随着未来 5G 走向微波和毫米波应用,当前的相关半导体解决方案在尺寸、功耗和成本上都面临新的挑战。
 
新兴半导体工艺材料不是全能,CMOS 面临新机遇
 
如果我们对比不同半导体工艺技术,就会发现功率通常会如何随着高工作电压 IC 技术而提高。硅锗(SiGe)技术采用相对较低的工作电压(2V 至 3V),但其集成优势非常有吸引力。GaAs 拥有微波频率和 5 V 至 7 V 的工作电压,多年来一直广泛应用于功率放大器。硅基 LDMOS 技术的工作电压为 28 V,已经在电信领域使用了许多年,但其主要在 4GHz 以下频率发挥作用,因此在宽带应用中的使用并不广泛。新兴 GaN 技术的工作电压为 28V 至 50V,拥有低损耗、高热传导基板(如碳化硅,SiC),开启了一系列全新的可能应用。如今,硅基 GaN 技术局限于 6GHz 以下工作频率。硅基板相关的 RF 损耗及其相对 SiC 的较低热传导性能则抵消了增益、效率和随频率增加的功率优势。
 
“无论是 GaN 还是 GaAs 或者是 SiGe 等半导体材料,ADI 都有相关的技术和产品推出。但是,目前这些半导体材料技术在面对包括 5G 微波和毫米波应用时,都有挑战性。” 在前不久的中国电子设计大会上,ADI 公司无线技术部总监 Thomas Cameron 博士面对中国媒体采访时指出。他表示毫米波 5G 的信号链当前涉及到很多材料技术的“跨界”应用,低频部分的数字和转换器用 CMOS 工艺,像变频器这些器件会用一些 SiGe 工艺,然后到靠天线这个地方再用砷化镓或者氮化镓的工艺。
 
 
“因为毫米波这块以前很多传统的器件都是像砷化镓、氮化镓这些工艺的一些器件,功耗相对来说会比较大一些。ADI 也有开发这些材料的解决方案,但我们会做比较多的在硅上面的一些集成,希望借助 CMOS 技术在功耗上有更多的提升。” Thomas 表示,“我们在整个射频和微波、毫米波上能力上的一些布局,在各方面我们有很多不同的应用,比如说我们有现代的 3G、4G 通信和毫米波、微波通信,包括火星在内的太空探测领域,以及我们更高的有一些 77G 汽车雷达的,CMOS 工艺技术上的经验将帮助未来在 5G 微波、毫米波的应用中找出新的机遇。”
 
28nm CMOS 领衔性能半导体工艺新势力
 
Thomas 所指出的 CMOS 在微波射频中的创新应用,从 ADI 近年公开的产品新闻中可寻端倪,就在一年前 ADI 在业界推出了独特的 28nm CMOS 工艺产品组合,包括:
 
 
双通道 3.0 GSPS 模数转换器 AD9208  特点是大大降低功耗(功耗降低约 50%)的同时可实现极高的带宽和动态范围,覆盖最多的信号频段数,具有适用于分集射频接收和 I/Q 解调系统所需的低噪声频谱密度的特点。
 
双通道、16 位、12 SPS AD9172  可提供高达 6GHz 的直接 RF 信号合成,省去了 IF 至 RF 的上变频级和 LO 生成。这样可简化整体 RF 信号链,同时降低系统总成本。AD9172 能在这些 RF 频率上保持卓越的线性度和噪声性能,为系统架构师提供最高水平的可配置性。
 
14 位四通道 500MSPS 模数转换器 AD9694  该器件具有片内缓冲器和采样保持电路,确保实现较低的功耗、较小的封装尺寸和出色的易用性。该器件经过专门设计,适合对高达 1.4 GHz 带宽的模拟信号进行采样。AD9694 经过了全面优化,采用小巧紧凑的封装,可以提供宽泛的输入带宽、快速的采样速率、卓越的线性度以及较低的功耗。
 
这三款产品是目前 ADI 在 28nm CMOS 工艺上“颜值”担当,与当前的其他解决方案相比,基于 CMOS 技术在带宽、功耗和动态范围关键性能上发挥重要作用,以及覆盖最多的信号频带。而这些器件应用非常广泛,包括当前热门的 4G/5G 多频段无线通信基站、航空电子、雷达、汽车 ADAS 等等。
 
从数字信号到毫米波信号,不同的优势的半导体工艺技术覆盖了整个信号链。
 
Thomas 给出了上面的当前主流半导体材料技术在无线通信信号链的应用。“当然这些材料对应的覆盖区间并没有那么绝对的区分,会有重叠的。某些应用锗硅的性能会更好一点,CMOS 性能上稍微会差一些,但是可能在成本上是反过来的,砷化镓、氮化镓成本是最高的,锗硅成本可能在中间,然后 CMOS 的成本是最低的。” Thomas 表示,“ADI 目前几种工艺技术都有专利技术和产品推出,而且努力通过技术发展去以低成本的工艺去取代高成本的工艺,例如 CMOS 在慢慢取代锗硅,锗硅再慢慢取代砷化镓、氮化镓。”当然在手机上面你要看到,基本上到最后的时候我都要 CMOS 集成,否则我的手机到最后很难那个价格降下来。
 
总结:
 
作为在高性能模拟技术的领头羊,ADI 广泛投资于多种制造工艺,包括氮化镓(GaN)、高级 SiGe、GaAs 等,力图从工艺技术上提高性能和集成度,并不断缩小产品尺寸,但 CMOS 的独特成本和功耗优势是 ADI 希望未来在 5G 应用中深度拓展,在 28nm CMOS 工艺上陆续做文章可见其取得卓有成效的进展。未来在大规模天线阵列应用中 CMOS 的集成是一个非常非常关键的一个要点,那 ADI 也是在做很多的工作,在想办法能够促使这个的发生。据 Thomas 透露,ADI 在微波、毫米波 5G 的平台上在和客户一起合作,努力在硅上面做更多的集成,帮助减少体积、功耗、重量,助力未来微波 5G 的落地。