硅的原材料是普通的沙子,但當(dāng)幾十年前,科學(xué)家將它用來制作半導(dǎo)體器件以來,在摩爾定律的指導(dǎo)下,硅為我們的世界帶來了翻天覆地的變化。如今,電子設(shè)備中所使用的大多數(shù)器件都采用了基于硅的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作,但其中有一個部分卻難以實現(xiàn),這就是射頻器件。目前,射頻器件主要采用GaAs或SiGe工藝制造,但由于材料的稀缺性和工藝的復(fù)雜性,射頻前端芯片普遍良率不高,成本居高不下。隨著時下物聯(lián)網(wǎng)及無線通信應(yīng)用的迅猛擴(kuò)張,射頻器件對成本及集成性能有了更高要求,也推動著行業(yè)開始尋求成本更低的基于硅的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝去生產(chǎn)射頻器件。

 

GaAs工藝 標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝
材 料 GaAs,材料稀缺昂貴 硅,材料豐富廉價
工 藝 6英寸晶圓 8英寸晶圓,12英寸晶圓
成熟度 良率較低,產(chǎn)能不穩(wěn)定 技術(shù)成熟、產(chǎn)能穩(wěn)定
性能比較 GaAs電子遷移率比硅高6倍,適宜于超高速、超高頻器件應(yīng)用。也因為GaAs有較高的擊穿電壓,所以GaAs比同樣的Si元件更適合操作在高功率的場合。GaAs的的另一個優(yōu)點是它是直接能隙材料,所以可以用來發(fā)光。而硅是間接能隙的材料,只能發(fā)射非常微弱的光。硅的優(yōu)點是成本低、具有更高集成度。

不同于傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體(Silicon Semiconductor),GaAs屬于化合物半導(dǎo)體(Compound Semiconductor),又稱III-V族半導(dǎo)體,主要用在手機射頻前端,如PA。進(jìn)入4G時代,手機的射頻前段變得更加復(fù)雜,4G設(shè)備的射頻前端成本大約為9-11美元,是3G系統(tǒng)的兩倍,是2G系統(tǒng)的6倍。手機射頻系統(tǒng)主要元件包括收發(fā)器Transceiver、功率放大器Power Amplifier、濾波器Filters和Antenna Switches。2011年此市場規(guī)模大約為38億美元,預(yù)計到2016年達(dá)到50億美元。

日本的Murata是全球最大的MLCC廠家,也是第一大通訊模塊廠家,包括藍(lán)牙模塊、WLAN模塊等。日本的Murata是全球最大的MLCC廠家,也是第一大通訊模塊廠家,包括藍(lán)牙模塊、WLAN模塊等。同時Murata還是全球第二大SAW濾波器廠家,全球第一大天線開關(guān)廠家。2012年3月,Murata完成對Renesas旗下PA事業(yè)部的收購,從而進(jìn)軍PA市場,Murata在手機射頻市場具備最齊全的產(chǎn)品線。

RFMD(2014年2月,RFMD和Triquint宣布合并)曾經(jīng)是全球第一大PA廠家,但是過分依賴大客戶。2008財年,諾基亞占了其收入的 59%,摩托羅拉占了14%。諾基亞在3G時代和智能手機時代快速下滑,RFMD也因此轉(zhuǎn)型緩慢,業(yè)績也隨之下滑,2011年收入下滑大約17%。

更多內(nèi)容

廠商動態(tài)

CMOS PA(功率放大器)在2000年前就已經(jīng)出現(xiàn),但是一直都處于少量出貨階段,這主要是由于成本和性能難以平衡。進(jìn)入2G時代,這種低成本PA開始進(jìn)入手機市場,Axiom(2009年被Skyworks收購)的CMOS PA就實現(xiàn)了千萬級的出貨量。另一家CMOS PA供應(yīng)商Amalfi Semiconductor(2012年被RFMD收購)的產(chǎn)品也廣泛應(yīng)用在低成本手機上。2013年2月份,高通宣布推出可以對應(yīng)LTE的CMOS PA,再一次點燃了CMOS與GaAs之間的戰(zhàn)火。高通這個行業(yè)老大的首肯大大刺激了CMOS射頻元件廠商。初創(chuàng)公司RFaxis憑借多項專利技術(shù),實現(xiàn)了采用純CMOS技術(shù)達(dá)到了原本只能由GaAs 或SiGe實現(xiàn)的性能,而成本卻只有幾分之一,RFaxis的產(chǎn)品已經(jīng)獲得包括高通(Qualcomm) 、博通(Broadcom)以及其他眾多無線互聯(lián)與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供商的認(rèn)可。英飛凌是另一家支持CMOS射頻的廠商,多年前就推出了采用CMOS工藝的射頻開關(guān)。另一家廠商Peregrine(2014年8月Murata宣布收購Peregrine)是SOI(絕緣體上硅)技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者,其UltraCMOS技術(shù)為射頻產(chǎn)品帶來了高度集成的單芯片方案,目前已向市場提供二十多億個UltraCMOS芯片。

廠商動態(tài)

GaAs射頻功率放大器
基于SOI技術(shù)的UltraCMOS
標(biāo)準(zhǔn)CMOS射頻前端器件

射頻前端系統(tǒng)的主控制端主要還是在于數(shù)據(jù)機平臺,而目前LTE數(shù)據(jù)機早已普遍采用CMOS制程,因此若射頻前端系統(tǒng)亦能導(dǎo)入CMOS制程,將大幅提高LTE平臺控制介面的整合度。

GaAs是一種化合物半導(dǎo)體,產(chǎn)能及價格波動大,相對而言,以矽(Silicon)制程為基礎(chǔ)的CMOS 在制程技術(shù)及原物料供應(yīng)上都較為穩(wěn)定,且價格更便宜,因而逐漸受到市場青睞;而且,透過平均功率追蹤(APT)、封包追蹤(ET)、數(shù)位預(yù)失真 (Digital Pre Distortion, DPD)、天線調(diào)諧(Antenna Tuner)等技術(shù)的協(xié)助,CMOS解決方案已漸漸能滿足載波聚合對線性及功耗的需求。

英飛凌目前以CMOS制程生產(chǎn)的天線開關(guān),在線性度、插入損耗(Insertion Loss)等性能表現(xiàn)上,都已通過一線手機大廠的肯定,且認(rèn)證其效能表現(xiàn)已可媲美GaAS天線開關(guān),并能符合載波聚合功能的需要,其性價比優(yōu)勢盡顯。

CMOS功率放大器與現(xiàn)下主流的砷化鎵功率放大器各有優(yōu)缺點,市場上同時對于兩種制程技術(shù)都有需求,因此短期內(nèi)仍難以分出絕對勝負(fù),為了不流失任一市場,Skyworks將維持CMOS、GaAs及絕緣層上矽(SOI)射頻元件多頭并行的策略,以滿足各種客戶群的需要。