相较于十年前,如今通信设备的前端射频模块的复杂度大大增加。以智能手机为例,不仅要实现sub-6 GHz、毫米波、WiFi 2.4GHz/5&6GHz、蓝牙和UWB等无线协议的载波聚合(CA),而且5G、WiFi 6(E)、蓝牙5.3/BLE等无线传输的数据吞吐量也极大提升,对能耗也提出更高要求。因此,手机射频前端的芯片材料技术,已经由早前的体硅衬底转向SOI(绝缘体上硅),该衬底由薄的硅器件层、处理衬底,以及使器件层与处理衬底物理分隔并电隔离的薄掩埋氧化物(box)层构成。

 

与内置在体硅衬底中的相同器件相比,使用SOI技术制造的器件可以表现出某些更好的性能。例如,与SOI衬底相比,体硅衬底器件存在谐波器件之间的隔离性差的问题,在1~10GHz的射频应用中,高电阻率的芯片可以减少衬底射频损耗。由于SOI 能够以最优的性价比实现更高的线性度和更低的插入损耗,因此它能够给设备带来更快的数据速度、更长的电池寿命、更稳定的频率,以及更流畅的通信质量。

 

提到SOI,最具代表性的公司是Soitec。目前全球 100% 的智能手机都在采用该公司的 RF-SOI 技术,并且该公司的 Connect RF-SOI已经成为行业标准。该衬底能够在符合标准 CMOS 工艺的硅薄膜上实现高射频性能、高线性射频隔离和功率信号、低射频损耗、数字处理和电源管理集成。

 

Connect RF-SOI包括Connect RFeSI、Connect iFEM-SOI和Connect HR-SOI三个系列,以满足多样化的性能要求。其中,RFeSI产品适用于具有严格线性规范的设备,在氧化埋层下方添加的富陷阱层使得 RFeSI具有出色的射频性能,也是 Soitec 的主流产品线。RFeSI通常针对 LTE-Advanced 和 5G 规范,满足不同的性能要求;iFEM-SOI 适用于对成本敏感的高度集成设备,面向 Wi-Fi、物联网和其他消费应用规范,其简化的富陷阱层能够实现在性能和射频集成电路总拥有成本之间的良好平衡;HR-SOI 适用于具有较低线性规格的设备,去掉了富陷阱层,主要针对 2G 和 3G 规范的应用。

 

Soitec RF-SOI 高级业务发展经理Luis Andia解释,通过富陷阱层,能够捕捉氧化埋层以及高阻抗操作层中游离的寄生电荷(parasitic charge)。这样保证了衬底非常高的电阻率,进而带来极高的线性度,不仅仅是为晶体管,也为其他的无源器件的提供高线性度。

 

富陷阱层提供的高线性度可以减少相邻频段的干扰,并且能实现非常好的隔离,不论是数字信号还是模拟信号,即便是非常复杂的5G 毫米波的射频前端,也能够实现隔离,从而防止信号串扰。

 

具体到针对不同应用的产品,Soitec通过调整富陷阱层来改变材料适用特性。

 

“调整的方式就是调整陷阱层的厚度。这样我们就能够优化制造周期:多长时间来生产制作这个富陷阱层。“Luis Andia解释道,”这样根据调整厚度,我们还能够保证不同应用的非常合适的线性度,比如说iFEM-SOI和RFeSI相比,iFEM-SOI的富陷阱层就比较薄,它主要是针对高度集成的设备,能够在较低和不错的性能之间达到良好的折中。所以我们可以对于性能和成本来进行调整或者平衡。”

   

相较于iFEM-SOI,HR-SOI没有富陷阱层,只有高阻抗硅,Luis Andia解释,在 HR-SOI 中,具有高阻抗硅而没有富陷阱层。因此,当晶体管处理的功率增加时,因为在埋层氧化物和高阻抗硅之间存在的寄生电荷,其电阻率会降低;线性度会降低,信号会失真。因此它更适用于 3G 时代的一些遗留应用或分立元件,但不适用于 5G 时代的高集成模块等应用。   

 

Connect RF-SOI隶属于Connect- SOI系列,据Luis Andia介绍,这是Soitec针对其三大战略市场中的移动通信市场的产品系列,除了Connect RF-SOI,还包括Connect FD-SOI、Connect POI和Connect RF-GaN。另外两个战略市场是汽车和工业,以及智能设备。汽车和工业相关产品包括Auto Power-SOI、Auto FD-SOI、Auto SmartSiC和Auto Power-GaN;智能设备产品包括Smart Imager-SOI、Smart FD-SOI、Smart Photonics-SOI和Smart PD-SOI。

 

早在2010年,Soitec 的RF-SOI就已经用于智能手机的射频前端,当时主要是开关和控制,到2018年,由于5G手机中的CA组合单元已经大于200个,RF-SOI的应用已经扩大到天线调谐器和低噪放大器,今年开始,RF-SOI的应用还将扩大至移相器、分路/合路器和功率放大器,以满足5G毫米波规范的CA需求。Luis Andia强调,在5G毫米波前端模块中,Connect RF-SOI和Connect RF-GaN进行了混合使用。

 

图:Connect-SOI 在旗舰智能手机蜂窝RFFE中的应用演变

 

此外,集成RFIC已经是一个趋势,例如村田和pSemi的RFIC将功放、低噪放大器、开关和RF-SOI整合,其他如MIXCOMM、Sivers、Movandi、Anokiwave和ADI等公司的射频产品也都采用类似整合方案,村田和三星也有提供将RFIC集成在FD-SOI中的产品。关于FD-SOI,最新的消息是,ST和格芯正计划在法国建造300mm晶圆厂来推动FD-SOI生态的发展,高通则宣布在欧洲加快提升22FDX产能,以实现下一代5G毫米波的应用。

 

目前,在智能手机射频前端中,几乎所有的射频开关和天线调谐器都已经采用SOI,超过80%的集成低噪放大器也都采用SOI技术。而在物联网和可穿戴设备中,RF-SOI的高线性度、低插入损耗和高隔离度特性也将在射频前端中的开关、功放和低噪放大器中发挥关键作用。

 

同样,RF-SOI在汽车TCU系统的射频前端中也将发挥重要作用,这一系统通常在汽车鲨鱼鳍天线和车身面板中,有数个复杂的射频应用和增强的射频信号集成并存,包括V2X、NAD蜂窝、4G LTE和5G射频前端、可最高支持4x4 MIMO的分集架构,以及WiFi 5、6(E)的射频前端。

 

图:汽车TCU系统的射频前端非常复杂

 

Luis Andia表示,RF-SOI之所以成为射频前端芯片的重要技术,主要原因在于其能够解决系统级射频前端的2个共存问题:一是由射频前端非线性导致的相邻频段产生干扰,而RF-SOI的特性就是能够在主流CMOS上提供最佳线性新能;二是随着射频前端的复杂化,噪声源也增加了,高阶调制信号(高数据速率)对噪声更加敏感,现有设计技术虽然可以大限度地减少COMS-bulk的干扰,但需要更大的裸片面积,且容易降低功率效率,而具有富陷阱层的 RF-SOI(RFeSI)优化衬底可提供约35dB的噪声隔离。

 

可以想见,随着5G智能手机,智能汽车和工业,以及智能物联网对系统通信单元的要求不断提升,射频前端的市场已步入快速发展阶段,而解决射频前端的痛点,满足相关市场潜在商机的需求,将为 Soitec的RF-SOI技术提供发挥价值的巨大空间。

 

除了满足未来的市场需求,Soitec也希望在可持续发展的过程中,体现其发展战略的价值。Luis Andia表示,Soitec致力于助力全球到2026年实现1.5度以内的温升控制目标,该目标由全球范围内的公司共同设立,Soitec正在两种方式来推动其实现:一是生产创新性的优化衬底产品。例如与传统的SiC相比,每生产50万片Smart SiC晶圆,可以减少2万吨的二氧化碳排放量;二是致力于在法国总部的工厂实现100%的可持续能源的使用。此外该公司还致力于在法国和新加坡的工厂实现每单位产量减少12%的水消耗。

   

Soitec正在提升产能,计划增加2座新的工厂,一个位于法国,生产200mm SiC晶圆,目标是年产50万片,另一个是新加坡的年产100万/片的300mm晶圆厂,用于生产不同类型的优化衬底产品,如RF-SOI和FD-SOI。