儘管今年的世界行動通訊大會(MWC)停辦了,但業界對於5G的追求卻日趨激烈,尤其是那些專注於5G RF前端模組的半導體廠商,正遭遇矽材料半導體性能接近極限的挑戰。

在可替代矽的候選材料中,有氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、碳化矽(SiC)等化合物材料,以及用於提高濾波性能的壓電材料。GaAs已在4G和5G手機的功率放大器(PA)上得到廣泛應用,GaN也開始在5G毫米波(mmWave)功率放大器市場贏得青睞。

Paul Boudre

法國公司Soitec執行長Paul Boudre在最近接受《EE Times》採訪時表示,越來越多的RF晶片設計公司正在尋找「新材料來解決他們面對的問題」。

位於法國格勒諾布爾的Soitec與CEA-Leti合作率先開發出絕緣層上覆矽(SOI)基底。Soitec已經在RF SOI晶圓方面取得了巨大成功(RF晶片公司將其用於製造智慧型手機的開關和天線調諧器),現正準備進軍化合物材料的新世界,以擴展其業務。

Boudre描繪Soitec的計畫在於為晶片廠商「開發、製造以及提供基於Soitec工程基底的新材料」。Soitec的新材料研發包括:

  • 壓電絕緣體(POI)工程基底——用於生產高性能的表面聲波(SAW)濾波器元件,主要針對4G和5G新無線電(NR)波段。
  • 矽基氮化鎵(GaN-on-Si)和碳化矽基氮化鎵(GaN-on-SiC)磊晶。Soitec去年收購了位於比利時的Imect子公司EpiGaN,獲得了磊晶圓(epiwafer)開發和製造技術。Soitec藉由融合EpiGaN,並提供資金購買必要的工具,Soitec計畫進入大量生產的5G GaN PA市場。
  • 今年,Soitec將開始出樣基於其Smart Cut專有技術而開發的SiC樣片。

Soitec的Smart Cut製程可讓該公司工程師指定材料,並從這些材料上生長單晶層,然後再將這些生長層從一個基底移植到另一個基底。這樣就可能形成晶圓的主動層,使其得以進行獨立於支撐機械基底的控制管理。

Soitec將Smart Cut技術應用於SiC的目標是為了顯著改善SiC在基底和元件級的成本和品質。Soitec的大部份產品都以FD-SOI和RF-SOI基底為基礎,二者都利用了Smart Cut技術。同樣地,Soitec最近也利用Smart Cut技術將POI投入量產。下一步,則則是計畫在今年稍晚出樣基於Smart Cut的SiC晶片。

為什麼選擇SiC?

但是現在為什麼選擇SiC呢?即使需求激增,SiC也面臨兩大挑戰。首先,沒有足夠的SiC晶片供應。第二,SiC的良率很低。

Soitec在使用Smart Cut技術開發新的SiC晶圓時也考慮到了這些問題,並採取了因應措施,首先大幅提高了基底上SiC層的品質,其次將現有的6吋SiC晶圓轉到8吋晶圓以降低成本。目前,Soitec在法國格勒諾布爾有一條SiC晶圓試產線。

為了進一步增強這一努力成果,去年秋季Soitec宣佈一項與美商應材公司(Applied Materials)的聯合開發計畫。Applied與Soitec聯手,將共同致力於SiC技術的材料工程創新。

Soitec全球策略執行副總裁Thomas Piliszczuk指出,基於Smart Cut的SiC有兩個潛在的巨大市場。一個是電動車(EV)逆變器,可以大幅提高電池壽命。另一個是把握「5G基地台對於PA具備高功效和嚴格線性度的巨大需求」。

Thomas Piliszczuk

鑒於當今市場上SiC晶圓短缺,Soitec有什麼商業模式和計畫呢?Boudre說:「我們可以成為SiC晶片供應商,也可以授權給別家合作。」無論採用哪種方式,他表示,「目標都是加強SiC晶圓的供應、提高品質,並加快6吋晶圓轉換。這些都將有助於使SiC晶圓的成本結構更具競爭力。」

尋找矽之外的新材料

RF半導體設計者都在挖空心思,為5G系統尋找新材料和新設計/架構。但是為什麼會這樣呢?

Yole, 5G RFFE

5G改寫RF前端架構生態
(來源:Yole Développement)

由於5G使用不同的高頻頻段來實現高速資料傳輸,因此5G RF前端模組所需要的PA、濾波器、開關、LNA和天線調諧器的需求量倍增,速度之快令人措手不及。對於智慧手機設計者來說,龐大的零件數量(其中許多仍是離散元件)令人頭疼,他們必須將所有的RF模組全部塞到一支5G手機中。5G智慧型手機開發商也擔心RF元件的品質、散熱和能效問題,因為這些都可能降低RF前端模組的性能。

此外,並不是每一個RF元件都使用相同的材料或相同的技術。如前所述,POI用來改善濾波性能。GaAs一直是PA的主要材料。但如今許多PA供應商都在認真研究GaN。另一方面,專用的SOI製程——RF SOI已經成為製造RF晶片的標準了,例如用於3G、4G和5G智慧型手機和其他產品的開關元件和天線調諧器。

正如Boudre所解釋的,Soitec在2016年推出的RF-SOI已經贏得了很多RF元件客戶。這些客戶讓Soitec大開眼界,因為每一家RF晶片公司都在尋找新的材料和基底,以滿足5G RF的嚴格要求。

智慧型手機和基地用的PA就是一個很好的例子。

5G無線應用中的PA晶片與4G網路中使用的大不相同。5G傳輸的寬頻調變要求PA具有高能效和嚴格的線性度。此外,5G網路將採用相控天線來聚焦和控制多個波束。例如,使用4×4相控陣天線,PA的操作功耗必須遠低於目前蜂巢式通訊系統中常見的單波束訊號。

隨著5G網路以mmWave的頻率傳輸,情況變得更加複雜了。相較於Sub-6GHz系統,mmWave系統面臨著更複雜的RF設計挑戰。

多輸入多輸出(MIMO)天線對於5G來說不可或缺,因為天線須在密集部署的環境中為許多裝置服務,它們需要高能效和嚴格線性度的PA晶片。連接眾多RF前端元件的相控MIMO天線也需要PA以較低的成本提供更大的整合度。

正因為5G手機和基地台對於PA的嚴格要求,才促使Soitec收購EpiGaN。

根據Soitec GaN業務部門的Markus Behet、Joff Derluyn、Stefan Degroote和Marianne Germain共同撰寫的一篇文章中,列出了針對5G基礎設施和手機架構的RF半導體器件應具備的必要屬性,即「效率、緊湊、低成本、高功率密度和線性度」。該文指出,「從寬頻性能、功率密度和效率來看,傳統技術——主要是矽基LDMOS (橫向擴散金屬氧化物半導體)或GaAs——是無法與GaN HEMT (高電子遷移率電晶體)相匹敵的,無論它們是基於矽基底還是SiC基底。」

在該文的作者們看來,GaN技術「滿足了5G嚴格的散熱規範,同時為密集的大規模MIMO天線陣列保留了寶貴的PCB空間。在基地台中,離散式設計已經被節省空間的多功能GaN MMIC和多晶片模組所取代。」

高通公司呢?

由於有這麼多超越矽晶之外的新材料出現,而且應該都能整合至5G mmWave RF前端模組,那麼高通的解決方案又是什麼呢?

Yole Développement電力和無線業務總監Claire Troadec注意到,高通研究了現有的可行方案後,最終還是選擇了矽基RF方案。

Boudre指出,很可能是因為這是高通的第一代5G mmWave RF前端模組。他相信,利用GaN-on-Si技術的RF解決方案可能會在高通的第三或第四代5G RF模組中發揮作用。

GaN-on-SiC vs GaN-on-Si

EpiGaN同時開發出碳化GaN-on-SiC和GaN-on-Si磊晶。但二者有什麼不同呢?

Piliszczuk解釋說,這兩者的目標市場相同。「目前,GaN-on-SiC由於更成熟而處於領先地位。而多家元件供應商也在研究同樣適用於手機的GaN-on-Si解決方案。」

在應用方面,GaN-on-SiC如今已被用於無線基礎設施(4G/LTE基地台)、國防和通訊衛星領域。Piliszczuk觀察到,「在這些領域,必須具有最高性能和可靠性。而GaN-on-SiC也是5G MIMO基礎設施的有力競爭者,」他補充道。

Piliszczuk坦言,GaN-on-Si具有與GaN-on-SiC類似的RF性能,但還不夠成熟,而且存在與矽基底有關的散熱問題。

但Soitec十分看好GaN-on-Si,因為它可利用矽製程固有的規模經濟優勢。Piliszczuk認為GaN-on-Si可以「開拓新的大量和消費市場」。據Soitec,EpiGaN/Soitec已經能提供200mm的GaN-on-Si產品了。而且,GaN-on-Si也是5G基礎設施和手機的有力競爭者。

Yole Développement電力和無線業務部門RF元件與技術分析師Antoine Bonnabel對此保持謹慎看法。他告訴《EE Times》,「GaN-on-Si還不夠成熟,無法達到商用要求。」同時,他解釋說,「GaN-on-SiC目前已經商用了。」這兩種途徑的目標都針對同一應用:高頻的PA應用。

據Bonnabel稱,「現在的問題是,GaN-on-SiC技術比起矽基方案仍然是太貴了。對於大規模MIMO的低功耗PA,或頻率低於3GHz的PA而言,情況尤為如此。此外,它還不能整合到像是大規模MIMO這一類的小功率裝置中。」

他認為,「僅僅在沒有其它解決方案的情況下才會使用GaN-on-SiC,例如在頻率超過3GHz的大功率PA,包括目前處於試驗/部署階段的n77-n79頻段通常使用的20W PA。」

另一方面,Bonnabel說,「GaN-on-Si解決方案並不如GaN-on-SiC好,但前者的成本可能做到更低。」

他解釋說,這意味著GaN-on-Si可以在低功率放大方面與矽基LDMOS技術競爭,這得益於其更低的價格和整合能力(GaN-on-SiC卻沒有這樣的優勢)。

Bonnabel總結道:「如果Soitec或其它公司能夠以合理的價格製造出高品質的GaN-on-Si,那麼它就能與矽基技術競爭。然後,它就會滲透至大規模MIMO所需的低功率放大器市場。最終,還可能在高功率應用中取代GaN-on-SiC解決方案。」

至於Soitec的EpiGaN賭注策略時,這位Yole分析師表示,「Soitec一向勇於探索新市場,並提供最佳的基底材料和技術。Yole預計,Soitec在GaN技術上也會朝此發展。」

替代材料和結構的未來

研究人員正著眼於晶片設計師利用不同材料進行3D整合的未來。Imec專案總監Nadine Collaert在最近ISSCC的全體會議上說:「半導體產業正向頻率更高和效率更高的方向發展。選擇之一是將III-V族材料(如GaN和SiC)與CMOS相結合使用,以取得兩種材料的優點。這可以透過3D整合來實現。」她列舉了幾個例子,其中包括3D奈米脊的影像,就是採用在SOI基底上生長的III-V族材料。然而,她特別指出,「要實現這一點,還有很多工作要做。」

Soitec執行長Boudre在巴賽隆納接受採訪時指出,在晶片製造技術上,RF晶片公司希望有多種選擇。根據其RF前端解決方案的設計和架構要求,「我們認為向客戶提供廣泛的解決方案選擇是我們應該做的,包括從FD-SOI、RF-SOI到GaN和SiC等。」

在他看來,未來將有機會開發出一系列新的工程基底材料。「我們相信遲早有一天可以在矽上開發出GaN-on-SiC!」

參考原文:5G RF Issues Send Soitec Seeking New Wafer Material ,by Junko Yoshida)