1452
相較于十年前，如今通信設(shè)備的前端射頻模塊的復雜度大大增加。以智能手機為例，不僅要實現(xiàn)sub-6 GHz、毫米波、WiFi 2.4GHz/5&6GHz、藍牙和UWB等無線協(xié)議的載波聚合（CA），而且5G、WiFi 6（E）、藍牙5.3/BLE等無線傳輸的數(shù)據(jù)吞吐量也極大提升，對能耗也提出更高要求。因此，手機射頻前端的芯片材料技術(shù)，已經(jīng)由早前的體硅襯底轉(zhuǎn)向SOI（絕緣體上硅)，該襯底由薄的硅器件層、處理襯底，以及使器件層與處理襯底物理分隔并電隔離的薄掩埋氧化物(box)層構(gòu)成。
與內(nèi)置在體硅襯底中的相同器件相比，使用SOI技術(shù)制造的器件可以表現(xiàn)出某些更好的性能。例如，與SOI襯底相比，體硅襯底器件存在諧波器件之間的隔離性差的問題，在1~10GHz的射頻應(yīng)用中，高電阻率的芯片可以減少襯底射頻損耗。由于SOI 能夠以最優(yōu)的性價比實現(xiàn)更高的線性度和更低的插入損耗，因此它能夠給設(shè)備帶來更快的數(shù)據(jù)速度、更長的電池壽命、更穩(wěn)定的頻率，以及更流暢的通信質(zhì)量。
提到SOI，最具代表性的公司是Soitec。目前全球 100% 的智能手機都在采用該公司的 RF-SOI 技術(shù)，并且該公司的 Connect RF-SOI已經(jīng)成為行業(yè)標準。該襯底能夠在符合標準 CMOS 工藝的硅薄膜上實現(xiàn)高射頻性能、高線性射頻隔離和功率信號、低射頻損耗、數(shù)字處理和電源管理集成。
Connect RF-SOI包括Connect RFeSI、Connect iFEM-SOI和Connect HR-SOI三個系列，以滿足多樣化的性能要求。其中，RFeSI產(chǎn)品適用于具有嚴格線性規(guī)范的設(shè)備，在氧化埋層下方添加的富陷阱層使得 RFeSI具有出色的射頻性能，也是 Soitec 的主流產(chǎn)品線。RFeSI通常針對 LTE-Advanced 和 5G 規(guī)范，滿足不同的性能要求；iFEM-SOI 適用于對成本敏感的高度集成設(shè)備，面向 Wi-Fi、物聯(lián)網(wǎng)和其他消費應(yīng)用規(guī)范，其簡化的富陷阱層能夠?qū)崿F(xiàn)在性能和射頻集成電路總擁有成本之間的良好平衡；HR-SOI 適用于具有較低線性規(guī)格的設(shè)備，去掉了富陷阱層，主要針對 2G 和 3G 規(guī)范的應(yīng)用。
Soitec RF-SOI 高級業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Luis Andia解釋，通過富陷阱層，能夠捕捉氧化埋層以及高阻抗操作層中游離的寄生電荷（parasitic charge）。這樣保證了襯底非常高的電阻率，進而帶來極高的線性度，不僅僅是為晶體管，也為其他的無源器件的提供高線性度。
富陷阱層提供的高線性度可以減少相鄰頻段的干擾，并且能實現(xiàn)非常好的隔離，不論是數(shù)字信號還是模擬信號，即便是非常復雜的5G 毫米波的射頻前端，也能夠?qū)崿F(xiàn)隔離，從而防止信號串擾。
具體到針對不同應(yīng)用的產(chǎn)品，Soitec通過調(diào)整富陷阱層來改變材料適用特性。
“調(diào)整的方式就是調(diào)整陷阱層的厚度。這樣我們就能夠優(yōu)化制造周期：多長時間來生產(chǎn)制作這個富陷阱層。“Luis Andia解釋道，”這樣根據(jù)調(diào)整厚度，我們還能夠保證不同應(yīng)用的非常合適的線性度，比如說iFEM-SOI和RFeSI相比，iFEM-SOI的富陷阱層就比較薄，它主要是針對高度集成的設(shè)備，能夠在較低和不錯的性能之間達到良好的折中。所以我們可以對于性能和成本來進行調(diào)整或者平衡。”
相較于iFEM-SOI，HR-SOI沒有富陷阱層，只有高阻抗硅，Luis Andia解釋，在 HR-SOI 中，具有高阻抗硅而沒有富陷阱層。因此，當晶體管處理的功率增加時，因為在埋層氧化物和高阻抗硅之間存在的寄生電荷，其電阻率會降低；線性度會降低，信號會失真。因此它更適用于 3G 時代的一些遺留應(yīng)用或分立元件，但不適用于 5G 時代的高集成模塊等應(yīng)用。
Connect RF-SOI隸屬于Connect- SOI系列，據(jù)Luis Andia介紹，這是Soitec針對其三大戰(zhàn)略市場中的移動通信市場的產(chǎn)品系列，除了Connect RF-SOI，還包括Connect FD-SOI、Connect POI和Connect RF-GaN。另外兩個戰(zhàn)略市場是汽車和工業(yè)，以及智能設(shè)備。汽車和工業(yè)相關(guān)產(chǎn)品包括Auto Power-SOI、Auto FD-SOI、Auto SmartSiC和Auto Power-GaN；智能設(shè)備產(chǎn)品包括Smart Imager-SOI、Smart FD-SOI、Smart Photonics-SOI和Smart PD-SOI。
早在2010年，Soitec 的RF-SOI就已經(jīng)用于智能手機的射頻前端，當時主要是開關(guān)和控制，到2018年，由于5G手機中的CA組合單元已經(jīng)大于200個，RF-SOI的應(yīng)用已經(jīng)擴大到天線調(diào)諧器和低噪放大器，今年開始，RF-SOI的應(yīng)用還將擴大至移相器、分路/合路器和功率放大器，以滿足5G毫米波規(guī)范的CA需求。Luis Andia強調(diào)，在5G毫米波前端模塊中，Connect RF-SOI和Connect RF-GaN進行了混合使用。
圖：Connect-SOI 在旗艦智能手機蜂窩RFFE中的應(yīng)用演變
此外，集成RFIC已經(jīng)是一個趨勢，例如村田和pSemi的RFIC將功放、低噪放大器、開關(guān)和RF-SOI整合，其他如MIXCOMM、Sivers、Movandi、Anokiwave和ADI等公司的射頻產(chǎn)品也都采用類似整合方案，村田和三星也有提供將RFIC集成在FD-SOI中的產(chǎn)品。關(guān)于FD-SOI，最新的消息是，ST和格芯正計劃在法國建造300mm晶圓廠來推動FD-SOI生態(tài)的發(fā)展，高通則宣布在歐洲加快提升22FDX產(chǎn)能，以實現(xiàn)下一代5G毫米波的應(yīng)用。
目前，在智能手機射頻前端中，幾乎所有的射頻開關(guān)和天線調(diào)諧器都已經(jīng)采用SOI，超過80%的集成低噪放大器也都采用SOI技術(shù)。而在物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備中，RF-SOI的高線性度、低插入損耗和高隔離度特性也將在射頻前端中的開關(guān)、功放和低噪放大器中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
同樣，RF-SOI在汽車TCU系統(tǒng)的射頻前端中也將發(fā)揮重要作用，這一系統(tǒng)通常在汽車鯊魚鰭天線和車身面板中，有數(shù)個復雜的射頻應(yīng)用和增強的射頻信號集成并存，包括V2X、NAD蜂窩、4G LTE和5G射頻前端、可最高支持4x4 MIMO的分集架構(gòu)，以及WiFi 5、6（E）的射頻前端。
圖：汽車TCU系統(tǒng)的射頻前端非常復雜
Luis Andia表示，RF-SOI之所以成為射頻前端芯片的重要技術(shù)，主要原因在于其能夠解決系統(tǒng)級射頻前端的2個共存問題：一是由射頻前端非線性導致的相鄰頻段產(chǎn)生干擾，而RF-SOI的特性就是能夠在主流CMOS上提供最佳線性新能；二是隨著射頻前端的復雜化，噪聲源也增加了，高階調(diào)制信號（高數(shù)據(jù)速率）對噪聲更加敏感，現(xiàn)有設(shè)計技術(shù)雖然可以大限度地減少COMS-bulk的干擾，但需要更大的裸片面積，且容易降低功率效率，而具有富陷阱層的 RF-SOI（RFeSI）優(yōu)化襯底可提供約35dB的噪聲隔離。
可以想見，隨著5G智能手機，智能汽車和工業(yè)，以及智能物聯(lián)網(wǎng)對系統(tǒng)通信單元的要求不斷提升，射頻前端的市場已步入快速發(fā)展階段，而解決射頻前端的痛點，滿足相關(guān)市場潛在商機的需求，將為 Soitec的RF-SOI技術(shù)提供發(fā)揮價值的巨大空間。
除了滿足未來的市場需求，Soitec也希望在可持續(xù)發(fā)展的過程中，體現(xiàn)其發(fā)展戰(zhàn)略的價值。Luis Andia表示，Soitec致力于助力全球到2026年實現(xiàn)1.5度以內(nèi)的溫升控制目標，該目標由全球范圍內(nèi)的公司共同設(shè)立，Soitec正在兩種方式來推動其實現(xiàn)：一是生產(chǎn)創(chuàng)新性的優(yōu)化襯底產(chǎn)品。例如與傳統(tǒng)的SiC相比，每生產(chǎn)50萬片Smart SiC晶圓，可以減少2萬噸的二氧化碳排放量；二是致力于在法國總部的工廠實現(xiàn)100%的可持續(xù)能源的使用。此外該公司還致力于在法國和新加坡的工廠實現(xiàn)每單位產(chǎn)量減少12%的水消耗。
Soitec正在提升產(chǎn)能，計劃增加2座新的工廠，一個位于法國，生產(chǎn)200mm SiC晶圓，目標是年產(chǎn)50萬片，另一個是新加坡的年產(chǎn)100萬/片的300mm晶圓廠，用于生產(chǎn)不同類型的優(yōu)化襯底產(chǎn)品，如RF-SOI和FD-SOI。
