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蓝宝石上硅(SOS)在下一代无线网络中的应用价值正在提升

2016/11/24 18:19:05     

 

 

蓝宝石上硅(SOS在下一代无线网络中的应用价值正在提升

Peregrine 半导体公司的Rodd Novak如是说:新的无线通信标准的引入使得射频前端(RFFE)器件制造商所打造的产品要具有更高的线性度。由于Peregrine公司的UltraCMOS工艺及其加速后的发展线路图,使得蓝宝石上硅SOS)器件技术已在这一领域中脱颖而出。相比于众所周知的GaAs等竞争技术,SOS将有望持续地扩大其在性能上的领先优势。 

无线网络的运营商正在不断追求更高的效率、更快的数据传输速率和更短的指令执行周期。上述这些需求使得他们要采用新的数据传输方案。其中最新的技术之一便是4G LTE这一新的移动通信标准,它已在世界各地得到了广泛的采用。有相当多的美国无线运营商已经很快地采用了LTE标准,而且在欧洲、中国以及世界其它地区的无线运行商也紧随其后加以采用。

4G LTE网络的引入带来了许多技术上挑战,影响着用户设备(UE)中的许多射频前端(RFFE)部件,如功率放大器(PA)、滤波器、天线和开关器件等。对这些部件都需要进行调整和改进以能够提供尺寸更小、集成度更高的RFFE部件,这些RFFE部件需要具有高的电隔离性能和线性度,以便与用户设备(UE)及其基础设施上的更新保持同步。

采用传统的化合物半导体技术来满足上述所有这些要求还是有可能的,然而还有一种更好的替代方法。蓝宝石上硅(SOS)工艺,它是一种先进的绝缘体上硅(SOI)技术形式,可以使RFFE部件实现按比例扩展的集成,性能稳定,且能得益于最为广泛使用的半导体CMOS技术。此外,SOS器件在RF性能上比GaAs有过之而无不及。

 


Peregrine半导体公司采用了蓝宝石上硅(SOS)技术来制造开关器件

 

位于美国加洲San Diego的Peregrine半导体公司,拥有一个专有的SOS技术—UltraCMOS—它是SOI技术中的一种更为先进的形式。UltraCMOS技术包含了在蓝宝石晶圆上生长形成一个硅薄层技术。这个技术平台对IC及其工艺的设计人员很有吸引力,因为蓝宝石是近乎完美的绝缘体,它消除了几乎所有与体硅技术相关联的寄生电容和漏电流问题。这项技术在蜂窝手机RFEE的RF开关器件和的天线调谐上具有很高的应用价值。到今天为止,已经有10亿多个UltraCMOS产品已经用于用户设备(UE)的RFEE部件中。

 

历史简介

在上一世纪的90年代后期,当第一个具有单/双频段设计的具有开关功能的RFFE器件出现在市场上时,它们采用的是兼有高性能和低成本优势的PIN二极管。然而,由于这种二极管需要采用很长的1/4波长传输线和较大的正向偏置电流操作,而且它们不能对随后的四频架构提供有效的解决方案,因为这种架构需要更多数量的RF开关信道。

设计者需要适应WCDMA/GSM网络的多频带硬件架构,这种架构需要多达9个开关信道。GaAs pHEMT和UltraCMOS IC解决了PIN二极管在多波段操作上的众多问题,并因此成为了RF开关器件的新解决方案。GaAs pHEMT和UltraCMOS这两项技术都能够满足由3GPP规范所规定的+65dBm IP3这一要求。不过,在此之后,LET网络极大地增加了用户设备(UE)在性能上的要求和对开关功能的复杂性。

我们的UltraCMOS技术可以用来应对这些挑战。十多年来,我们一直在开发这项技术,在2004年我们进入了移动无线通信市场,推出了第一个商业化的、大批量生产的SP4T倒装芯片的RF开关器件。我们这个基于UltraCMOS技术的产品,与当时的技术-即多芯片GaAs pHEMT IC模块展开了肉搏战式的竞争。

自那以后,手机的构架有了显著发展。移动无线应用中的RF频带数量和开关信道在持续不断地增加,使得高度集成的单片射频集成电路(RFIC)的价值在不断提升。现在,在一种先进的LTF手机的RFFE中已经出现了超过30个数量的开关信道。

我们技术的发展线路图胜过众多其它RFFE技术,它们包括有(但不限于)pHEMT、HBT, RF SOI、BiCMOS、GaN、CMOS以及SiGe等。其中的每一种技术都需要其本身的工艺、晶圆厂和研发资源。此外,每一种技术都有一个由设计工程师、工艺工程师和模型模拟工程师共同支持形成的独特的发展线路图。然而,根据定义,这些发展线路图的协同效应相当有限,不能提供一条途径来实现可以进行完全单片集成的RFFE。这就意味着研发资源的效能被稀释了,因为他们必须化精力来支持众多类型的工艺技术。与之形成鲜明对比的是,UltraCMOS技术对形成单片集成的RFFE有着明确的技术实现途径。因此,所有的研发资源都可聚焦在推进一个具有单一工艺、设计、建模以及供应链的技术发展线路图,来实现当今手机中的RF开关、数字调谐以及功率放大等功能。

 

表1:蓝宝石上硅(SOS)半导体工艺技术满足了LTE的要求,它能进行大批量的生产、由高集成度的射频集成电路(RFIC)组成,它只需采用一种工艺,以及具有不断提升其产品性能的发展线路图。

 

蓝宝石的优点

UltraCMOS技术的一个主要优点就是采用了一个完全绝缘的蓝宝石衬底。这种衬底几乎能彻底消除存在于体硅衬底中的寄生漏极电容问题,它主要具有三个方面的好处:首先,它提高了晶体管的性能,因为在每个工作周期中只需要对更小的寄生电容进行充放电。其次,蓝宝石衬底在电路元件间可以实现更为彻底的电学隔离,使得可将IC中的数字和模拟模块设置在高功率射频信号模块的附近。例如,它能支持具有IP3>80dBm的40dBm连续波功率的数字化控制RF开关器件,目前该产品已经进入了生产阶段。

UltraCMOS技术所具有的另一个优势是:与GaAs不同,它可以将RF电路、模拟电路、无源器件以及数字电路在单个芯片上实现集成。这种高水平的单片集成具有着更小的芯片尺寸和只需要更少的外置元件。例如,一个典型的SP9T UltraCMOS开关器件的面积大约只有相应GaAs器件的一半(参见图1)。减小RF开关器件的尺寸已受到高度的重视,因为这可以使RFFE组件的总体面积缩小,还具有着更多的设计和布局上的灵活性,以及只需更少的外置元件。上述这些是很重要的,因为在RFFE设计中,随着在手机中电池正在占有越来越多可用的实际空间,使得RF部分的可用空间正在继续地缩小(参见图2)。


图1:由于UltraCMOS技术可以实现单片集成,使得一个典型的SP9T UltraCMOS开关IC芯片面积大约只有一个典型的SP9T GaAs开关IC芯片的一半。


图2:在RFFE的设计中,容纳RF组件的可用空间大为缩小,因为电池单元在不断地占有手机中的大部分实际空间。

 

与UltraCMOS技术相关的另一个优势是:这种产品可以在一个合格的传统硅晶圆代工厂中充分利用现有的基础设施、采用标准成熟的CMOS工艺来进行制造。这意味着如果需要第二产能来源的话,可以通过两套并行的供应链合作伙伴来给予满足,而且成熟的晶圆厂只要通过扩展其设备的批量生产能力这种捷径,技术的升级改造可以提高得很快。

与晶圆代工厂合作,我们已经改进了我们RF开关器件的性能。如果RF开关器件是十分完美的话,它将具有零导通阻抗(Ron)和零关闭电容(Coff),这就是所谓的RonCoff性能衡量指标。我们正在接近这一理想指标,这在某种程度上是得益于我们在制造技术上的改进(见图3)。UltraCMOS的RonCoff性能衡量指标正以年均20%的速率在提升,大大超过了其它相应技术的提升速率,例如GaAs开关器件该指标的年均提升率只有不到1%。

 


图3:UltraCMOS技术的RonCoff性能衡量指标每年有着20%以上的提升,而GaAs技术相应指标每年的提升率却只有不到1%。

 

在2007年,我们在STeP2“半导体技术平台”基础上推出了UltraCMOS单芯片技术产品。自那以后,我们的RF开关器件系列在不断地推进。采用STeP5 UltraCMOS技术所推出的我们最新产品,其尺寸约可比GaAs相应模块尺寸要缩小83%(见图4)。STeP5工艺采用了“键合SOS技术”工艺。在我们的历史上,对基于这一工艺的产品需求使得新工艺生产得到了快速的增长。根据Navian公司在2012年10月12日的报告,我们已经成为蜂窝手机主流RF天线开关器件市场的领先者。

 


图4:标准的CMOS工艺使得UltraCMOS技术的前进步伐超过了GaAs等其它半导体技术。

 

线性度要求

可能SOS技术能超越GaAs半导体工艺技术的最具价值的属性是它所具有的高线性度。这是因为LTE的引入使得线性度成为RFFE中最难达到的一种性能要求。由于在全球范围内部署了大量的从699MHz到2690MHz频段的LTE,结果是加剧了蜂窝网络的RF相互干扰问题。而且,在今天的智能手机中,包括蜂窝、蓝牙、WiFi和GPS等多重频率无线电的同时共存和操作也加剧了这种相互干扰,结果使得消费者会感觉到因为谐波和相互调制问题而产生数据传输速率下降以及通话中断等现象。

与LTE相关联的相对较为严格的宽带线性度要求提高了对手机天线开关器件所需性能及其复杂性上的要求,即要求它能被四频W-CDMA和四频GSM所支持。例如,一个典型的天线开关器件现在必须具有十个或者更多的开关信道以及能超过+67dBm的三阶IIP3。此外,为了支持手机能同时进行语音通话和数据传传输,即能同时运行两个传输信道,手机服务商正在期望需要将天线开关器件的IIP3指标提高到+90dBm。

这些要求对许多技术而言是极具挑战性的,但是UltraCMOS却能坦然应对这个挑战。我们将UltraCMOS和一些新的发明,如我们的HaRP线性增强技术和混合信号设计技术相相结合,来制造出能满足LTE线性度要求的单芯片产品。例如,我们的SP10T PE426161开关器件在V波段(上行:824-849 MHz,下行:869-894 MHz)具有-125dBm的三阶互调失真(IMD3),这相当于+75dBm的IIP3。我们期望我们的开关器件的线性度能得到持续的提高,我们正在开发新一代的UltraCMOS工艺,因为它已经贯穿应用于过去五代的产品。例如,已经证明STeP5开关器件的三阶谐波比STeP2开关器件有着超过30dB的改善。

作为比较,当采用GaAs技术进行天线开关器件的设计时,对于一个给定的器件尺寸,耗尽型FET的使用及其对偏置的要求会限制它所能达到的最高线性度。此外,与UltraCMOS不同,GaAs具有一个根本性的弱点--即它无法获得一个性能优秀的绝缘栅氧化层。它是采用一个金属-半导体结来将栅极连接至沟道,在导通和关断状态下,栅极电流都会流入沟道。其结果是在高的功率强度下, GaAs FET栅极电压在进行调制时会增加信号的失真,使之很难满足LTF对于线性度的严格要求。

手机电路的发展趋势之一就是需要具有越来越多的信号通道,这就需要芯片能具有更好的电学隔离,以防止产生信号间耦合和窜扰现象,降低多频段RFFE的性能。例如,在一个多频段蜂窝手机中,PCS1900传输频带会与DCS1800接收频带相互重叠。没有35dB以上的电学隔离性能能,不希望频带的信号可以通过滤波器从而降低了接收器的灵敏度,从而导致通话断线。为了解决这一具有很高复杂性的问题,我们推出了SP12T PE426171开关器件,在2GHz时它可以在所有信道上至少能保持35dB的电学隔离度,而且该器件的外形小于3mm2

包括这种器件在内的这一产品系列均能满足当今4G LTE网络的要求。采用SOS技术制造的这些产品比起其它化合物半导体的产品具有更高的集成度、电学隔离性能及线性度(细节详见表2)。开关器件并不是Peregrine公司为RFFE制造的唯一的SOS产品。我们还生产数字可调电容器、数字衰减器、混频器/上行转换器、预分频器和频率合成器等器件。我们的产品系列已拥有超过180种的产品,使得设计人员在无线通信器件及其支撑环境上能处于一个领先的地位。


表2:市售SP10T GaAs器件和SP10T UltraCMOS器件的性能参数比较,在许多参数上UltraCMOS技术性能更好。请注意有关GaAs的参数值是来自之于它的两种芯片—一是RF开关芯片,另一个是控制器芯片。

 

扩展阅读

Andoh, Yoshiyasu (Navian Inc). RF Devices/Modules For Cellular Terminal Quarterly Market Report CY2012 2Q, Oct. 5, 2012: page 153.

 

 

 

 


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