5G通信的赛点——提高集成度


半导体技术和原子能、计算机、激光器并称为20世纪四大发明

1947年,美国电报电话公司(AT&T)贝尔实验室的三位科学家肖克利(William Shockley)、巴丁(John Bardeen)和布拉顿(Walter Brattain)在研究半导体材料锗(Ge)和硅(Si)的物理性质时,意外地发现了锗晶体具有放大作用,经过反复研究,他们用半导体材料制成了放大倍数达100量级的放大器,这便是世界上第一个晶体三极管。

世界上第一块集成电路——将五个元器件集成在一起的简易集成电路

1958年9月12日,当时在德州仪器公司工作的工程师杰克·基尔比(Jack Kilby)发明了第一块集成电路。

半导体和集成电路产业已经走过了60年的光辉历程。从分立的元器件到大规模的集成电路,从锗、硅等传统半导体材料到砷化镓、磷化铟化合物半导体,再到氮化镓、碳化硅、金刚石、石墨烯等新材料的研究方兴未艾。人们通常将半导体材料分为三代:第一代半导体材料主要代表是硅(Si),硅也是制作集成电路产业的最重要的半导体材料,集成电路在无线基础设施、个人电脑、智能手机、航空航天、新能源等所有现代工业中都得到了极为广泛的应用,毫不夸张的说,硅芯片在人类社会的每一个角落无不闪烁着它的光辉。第二代半导体材料主要代表是砷化镓(GaAs),第二代半导体材料主要用于制作高频微波、毫米波及发光器件。第三代半导体材料是指以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带(Eg>2.3eV)半导体材料,特别适合用于大功率、高电压的场合,在电力电子、大功率雷达、通信和电子对抗领域有着不可替代的优势。

安其威一直聚焦于硅基微波射频集成电路,尤其是基于锗硅(SiGe)工艺和绝缘衬底硅(SOI)工艺的微波射频器件。相比于传统的砷化镓(GaAs)射频器件和新兴的氮化镓(GaN)大功率射频器件,硅基射频器件有其独到的优势和特色,硅基射频器件也为相控阵雷达和5G通信系统的发展注入了巨大的动能。

传统的高性能高可靠性的微波系统,比如卫星通信,无线电基站,微波点对点通信,雷达等系统中的微波射频元器件大部分都用化合物工艺—砷化镓(GaAs)设计制造。砷化镓工艺在高频响应,输出功率,低噪声等方面性能优异,但是由于不能集成数字电路,芯片功能相对比较单一,集成度较低。同时由于工业界对砷化镓投入有限,砷化镓工艺制造的晶圆停留在4吋和6吋的水平,芯片成本较高。另一面,传统硅工艺的投入一直在加大,硅工艺生产的晶圆已经达到12吋,量产后成本较低。而且在频率响应上,硅工艺已经接近或者超过砷化镓工艺。射频系统中除了高功率放大器以外,均可用硅工艺实现。由于未来第五代通信系统将采用28GHz, 39GHz等毫米波频段,5G移动通信系统的普及推广要求必须降低系统成本,使用硅工艺尽可能实现大规模的系统集成成为了必然选择。因此全球很多研究机构和半导体公司均大力投入硅基毫米波芯片的研究开发,成果斐然,使得这个技术趋势日益成熟。

安其威微电子主要采用的硅工艺有锗硅(SiGe BiCMOS)、绝缘衬底硅(SOI CMOS)和体硅(Bulk CMOS)三种。

体硅(Bulk CMOS)工艺集成了P型和N型MOS场效应晶体管,非常适合用来实现大规模数字电路。射频CMOS工艺同时提供MOS变容管,金属电容MIM,各种电阻率和温度特性的电阻。同时多层金属可以构建电感,传输线,甚至集成天线。目前量产的体硅(Bulk CMOS)工艺的特征尺寸已经达到14nm水平,并还在继续缩小,其晶体管截止频率达到300GHz,非常适合高频小信号电路的实现,以及包括射频、模拟、电源、数字模拟转换、数字信号处理DSP或可编程微处理器的系统单片集成。另外,它可以借助其精准感应电路和数字算法,提高系统的一些重要射频指标,如镜频和谐波抑制, 实现芯片功能的可重构。它同时可以减小由于温度、工艺角、电源电压以及工作频率变化导致的芯片指标变化。由于高频CMOS晶体管的承受电压较低,单管输出功率并不高。低阻率的衬底引入较高的高频损耗,因此不利于功率放大器的实现。一般在毫米波段实际输出功率在10dBm以下。

锗硅(SiGe BiCMOS)的工艺衬底和体硅相同,它不但可以集成体硅工艺所提供的各种有源和无源器件,而且还集成了截止频率ft非常高(~300GHz)的锗硅三极管和二级管。相同ft的锗硅三极管的放大效率和单管输出电压都比CMOS高,因此是实现中等输出功率单片集成收发机的首选。SOI工艺制造步骤和体硅CMOS工艺基本兼容,可以集成品质更高的有源和无源的元器件和体硅类似。其特点是衬底使用了绝缘材料。这个领域的先锋美国派更半导体(Peregrine Semiconductor, 2014年被日本村田集团Murata收购), 发明了堆叠(Stack)的设计方法,将几个低压高速的晶体管组合起来实现较大的等效击穿电压,同时维持较高的ft,能够实现性能优异的高频高功率射频开关。到2014年为止,手机市场的砷化镓开关已经基本被SOI开关取代。SOI工艺由于衬底损耗小,同样适合实现毫米波功放。一些大学利用格罗方德(Global Foundries)的40nm SOI 工艺实现的功放输出功率达1W,但是还未达到商用阶段,效率也有待提高。

硅工艺除了在技术上有着自身的优势外,在集成度、产业链配套、一致性和制造成熟度和成本方面也有砷化镓GaAs不可比拟的特殊优势。

砷化镓晶圆尺寸小,产量低,所以均摊到每一颗芯片的成本居高不下,同时由于每片晶圆产出的芯片数量少,生产线批量规模小,所以器件批次与批次之间的一致性一直是个弱项;砷化镓的集成度低,也无法胜任需要大规模集成的应用场景。而随着硅工艺的进步,基于先进硅工艺做出芯片射频性能已经接近或超越传统的砷化镓工艺。砷化镓只是在大功率放大器和超低噪声系数的低噪放还保留有一定的优势,在小信号射频器件和高集成的数模混合器件上,已经被硅基微波射频电路所取代。

右图是每种工艺在传统微波射频系统中可以胜任的位置。在这里再给大家举一个简单的例子说明硅基射频集成电路的潜力,这就是当前行业发展的热点——相控阵系统。

相控阵雷达的核心是T/R组件:发射通道包括驱动放大器和功率放大器;接收通道包括低噪声放大器/限幅器;同时组件还需要包含开关、衰减器和移相器等微波控制器件以及波控、电源等数字电路。过去军用雷达的TR组件实现方式一直停留在组件的形式,即采用由多个砷化镓芯片,数字控制芯片和其他片外元器件通过复杂的微组装工艺做成模组,体积大,重量重,成本高,可靠性低,一致性差,工艺复杂。一部雷达造价动辄上千万,其中TR组件的成本通常要占到整部雷达的40%以上。而近年来,随着无人机技术的飞速发展,为了应对日益突出的“低、小、慢”目标威胁,机场、核电、安防等业主迫切需要一款低成本的小型相控阵雷达,整部雷达的目标价位在几十万,而继续沿用过去的TR组件搭建方法,无论如何也无法达成这一目标。正所谓“目标虽是低小慢,雷达却要高大上”。

安其威创造性的提出了TR组件单片化的理念,并成功研发出了系列化的全集成TR单片:S波段单通道TR芯片,X波段四通道TR芯片,Ku波段双通道TR芯片。安其威的硅基全集成TR芯片有别于传统的砷化镓多功能芯片,单片集成了波控和数字电路,并且集成了多个射频通道,每个通道都集成了独立的移相器、衰减器、瓦级功放、限幅低噪放、收发开关,为反低慢小的雷达提供了低成本的解决方案,想了解具体产品信息,可查阅产品中心,或联系安其威销售人员为您服务。

随着5G时代的到来,相控阵技术在通信系统中的作用也越来越大,5G中使用的Massive MIMO有源天线本质上就是一个64单元的相控阵天线,硅基射频电路在5G有源天线系统中大有用武之地,可以将除了功放以外的小信号器件进行高级集成,也可以实现多通道的集成。安其威在5G通信上正在开发高集成度的多功能芯片,同时也在为下一代卫星通信系统研发关键芯片,想了解具体产品信息和和寻求技术合作,可联系安其威为您服务。