芯東西（ID：aichip001）編 | 溫淑

芯東西6月9日消息，疫情帶來(lái)的不確定性正蔓延到全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，盡管第一季度汽車(chē)和通信業(yè)務(wù)表現(xiàn)不佳，但恩智浦近期的兩個(gè)發(fā)布傳達(dá)出積極的訊號(hào)。

今年4月底，恩智浦宣布與5G移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)級(jí)封裝集成制造商村田制作所（Murata）達(dá)成合作，將率先交付業(yè)界首個(gè)采用最新的Wi-Fi 6標(biāo)準(zhǔn)的射頻前端模塊，隨后在5月20日宣布這些模塊被小米Mi 10 5G手機(jī)采用。

射頻前端關(guān)乎手機(jī)信號(hào)強(qiáng)弱和無(wú)線通信的距離。從2G到4G，每一代蜂窩技術(shù)的演進(jìn)都會(huì)帶來(lái)射頻前端需求量的暴漲。隨著各大手機(jī)廠商紛紛布局高端5G設(shè)備，對(duì)性能、集成、尺寸和Wi-Fi 6功能均提出了更高的需求。

與借助采用更先進(jìn)制程實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)的處理器芯片不同，射頻前端芯片的技術(shù)升級(jí)主要依靠新設(shè)計(jì)、新工藝和新材料的結(jié)合，業(yè)界普遍采用的器件材料及工藝平臺(tái)有RF CMOS、SOI、SiGe等。

作為全球頂尖的Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E前端供應(yīng)商，此次恩智浦在其最新射頻前端方案中即選用SiGe（鍺硅），相比CMOS，它能在同一成本基本上實(shí)現(xiàn)更高的射頻輸出功率；相比SOI，它的輸出功率水平和功率效率更高。

一、押寶SiGe芯片：產(chǎn)品銷(xiāo)量數(shù)以?xún)|計(jì)

盡管受新冠疫情影響，恩智浦汽車(chē)業(yè)務(wù)陷入困境，但其SiGe業(yè)務(wù)卻在蓬勃發(fā)展。位于Nijmegen的ICN8工廠和SSMC在新加坡的合資工廠正在全速生產(chǎn)SiGe芯片。

據(jù)恩智浦無(wú)線業(yè)務(wù)部門(mén)智能天線解決方案（SAS）產(chǎn)品線的營(yíng)銷(xiāo)高級(jí)總監(jiān)Rob Hoeben說(shuō)，其SiGe芯片相當(dāng)受客戶(hù)歡迎，目前該產(chǎn)品的銷(xiāo)量數(shù)以?xún)|計(jì)，“（如果）大公司某型號(hào)的手機(jī)產(chǎn)量為1億部，每一臺(tái)手機(jī)里都要搭載我們的3塊芯片。那么，一位這樣的客戶(hù)就能帶來(lái)3億的交易量”。

SAS為移動(dòng)和無(wú)線基礎(chǔ)架構(gòu)提供集成的RF前端，專(zhuān)注于6 GHz以下和毫米波以下的移動(dòng)WLAN和5G，而SiGe在任何輸出功率低于1或2瓦的射頻或毫米波都具備優(yōu)勢(shì)。

相比第五代Wi-Fi，Wi-Fi 6采用了升級(jí)的調(diào)制技術(shù)，能連接了更多用戶(hù)，且速度更快、電池性能更優(yōu)、傳輸質(zhì)量更高。Wi-Fi 6E可理解為Wi-Fi 6的增強(qiáng)版本，除支持2.4 GHz、5 GHz頻段外，還加入了對(duì)6 GHz頻段（5.925-7.125 GHz，共1.2 GHz帶寬）的支持。

按照Hoeben的說(shuō)法，Wi-Fi 6E對(duì)于SiGe來(lái)說(shuō)是個(gè)完美的選擇，因?yàn)樵摷夹g(shù)可以使寬帶前端在5-7 GHz的整個(gè)頻段范圍內(nèi)都表現(xiàn)出色。“客戶(hù)可采用Wi-Fi芯片并將其設(shè)置為5或6 GHz，將我們的集成電路放在其前面，它將獨(dú)立于所選頻率工作。”

而像砷化鎵（GaAs）這樣的技術(shù)，禁帶寬度更窄，需要多個(gè)功率放大器，也就意味著解決方案會(huì)更加昂貴。

5G亦是恩智浦SiGe主攻的重要應(yīng)用，當(dāng)前Sub-6 GHz在中國(guó)和歐洲的部署正在提速，北美也實(shí)現(xiàn)了基于毫米波頻段的部署。Hoeben指出，SiGe芯片可應(yīng)用于sub-6 GHz基站發(fā)揮作用。

二、IBM研究員“失手”造出的半導(dǎo)體新材料

SiGe，這一幫恩智浦?jǐn)孬@過(guò)億銷(xiāo)量、贏得小米青睞的新材料，實(shí)際上是在約50年前的一次意外中被發(fā)現(xiàn)的。

1979年，IBM研究員Bernard Meyerson不小心把一片剛用氫氟酸清理過(guò)的硅片掉在了地上。為了去除硅片在地面上沾染的污物，Bernard試圖用水沖洗硅片。這時(shí)，他發(fā)現(xiàn)硅片是防水的。

原本，他以為這是因?yàn)楣杵c空氣反應(yīng)，在表面生成了一層氧化層，但進(jìn)一步研究結(jié)果顯示，硅片其實(shí)是與氫氟酸發(fā)生了反應(yīng)，其表面的保護(hù)是氫層。兩者的差別在于，硅片上的氧化層要加熱到1000°C才能被去除，而氫層只要加熱到600°C就會(huì)脫落。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)為SiGe的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

▲IBM制造的基于SiGe晶體管的芯片

當(dāng)時(shí)，為了進(jìn)一步增加芯片上晶體管數(shù)目，研究人員試圖采用SiGe材料的晶體管。要把鍺集成到硅上，首先要加溫到1000°C，以除去硅表面的空氣氧化層。但是，新生成的SiGe無(wú)法承受這么高的溫度。

Bernard的發(fā)現(xiàn)為SiGe的制備指出了一個(gè)新思路——先讓硅與氫氟酸生成氫層，再在550°C的溫度下讓硅與鍺反應(yīng)生成固溶體。事實(shí)證明，這種方法是可行的，SiGe材料由此誕生。

1992年，IBM的SiGe小組成員縮減到僅剩兩人：Meyerson和電氣工程師David Harame。但是，兩人仍然對(duì)SiGe有信心，并決定向IBM外部尋求資金。最終，多家通信公司同意向IBM墊付費(fèi)用，由IBM開(kāi)發(fā)并制造SiGe芯片。隨著資金不斷涌入，IBM很快投入開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)，幾乎在一夜之間創(chuàng)造了無(wú)線技術(shù)的新領(lǐng)域。

目前，IBM的SiGe芯片工藝已經(jīng)發(fā)展到第五代。

生產(chǎn)SiGe晶體管常用工藝有雙極工藝、SiGe BiCMOS工藝、SiGe應(yīng)變CMOS工藝、CBIP工藝、CBiCMOS工藝。其中，雙極工藝最為主流，在工藝上已經(jīng)越過(guò)0.35、0.18、0.13微米節(jié)點(diǎn)。

三、不僅5G手機(jī)能用，還能改進(jìn)汽車(chē)整流器和太陽(yáng)能電池

SiGe材料屬于第二代半導(dǎo)體材料。在四五十年的研究中，IC設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)，SiGe芯片相比硅芯具有以下優(yōu)勢(shì)：1、零部件成本低；2、節(jié)省電源，能效較高；3、集成性好；4、電子遷移率較高；5、體積小；6、具有高頻振蕩能力。

相比于GaAs（砷化鎵）、InP（磷化銦）等主流第二代半導(dǎo)體材料，SiGe材料的制備成本更低。在某些應(yīng)用場(chǎng)景中，SiGe芯片的性能并不遜色（比如恩智浦的SiGe射頻前端模塊）。

基于這些優(yōu)點(diǎn)，SiGe材料在汽車(chē)、通信、太陽(yáng)能等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。

比如，在汽車(chē)領(lǐng)域，SiGe可用于改善整流器的性能。整流器的作用是在瞬間提供足夠大的電流和穩(wěn)定的電壓，能使行駛過(guò)程更加平穩(wěn)，還能保證動(dòng)力的供應(yīng)。

以荷蘭半導(dǎo)體商N(yùn)experia推出的SiGe整流器為例，這款產(chǎn)品具有120V、150V和200V的反向電壓，可以承受175°C的溫度而不發(fā)生熱失控。有了這種熱容量，設(shè)計(jì)師不必依賴(lài)快速恢復(fù)二極管來(lái)處理高溫情況，可以提高設(shè)計(jì)效率。

▲Nexperia推出的SiGe整流器

德國(guó)半導(dǎo)體公司英飛凌還推出基于SiGe芯片的車(chē)用雷達(dá)系統(tǒng)。其中，77 GHz遠(yuǎn)程雷達(dá)系統(tǒng)可用于避撞系統(tǒng)，24 GHz 近/中程雷達(dá)系統(tǒng)可用于盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

在通信領(lǐng)域，美國(guó)半導(dǎo)體公司Maxim（美信）曾用SiGe雙極晶體管GST-3和硅晶體管GST-2做比較，結(jié)果顯示SiGe晶體管的增益更高、噪聲更低、可用于大電流應(yīng)用。

▲SiGe GST-3雙極晶體管和硅GST-2晶體管對(duì)比

NASA研究人員還發(fā)現(xiàn)，除了利用SiGe材料本身，它的生成方式也具有借鑒意義。

研究人員采用與在硅襯底上相同的方法，在藍(lán)寶石襯底上生成了SiGe。然后，他們用同一塊晶圓在藍(lán)寶石襯底的另一面生成一層氮化鎵或氮化銦鎵。最終，研究人員制備出一個(gè)太陽(yáng)能LED顯示屏。

SiGe太陽(yáng)能電池具有3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到30～40%，其他現(xiàn)有方法的能量轉(zhuǎn)換效率一般為15～20%；使用壽命為約80年，通常太陽(yáng)能電池板系統(tǒng)的壽命為25～30年；相比其他太陽(yáng)能電池材料，硅和鍺的成本更低、儲(chǔ)量更豐富。

▲NASA制備SiGe太陽(yáng)能電池的過(guò)程

結(jié)語(yǔ)：國(guó)產(chǎn)SiGe芯片已邁進(jìn)0.13微米

20世紀(jì)末，SiGe的發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步縮小晶體管尺寸帶來(lái)了可能。直到現(xiàn)在，由于具有優(yōu)良的性能，SiGe還被視為通信、汽車(chē)、太陽(yáng)能等領(lǐng)域的重要材料。IBM、意法半導(dǎo)體、索尼、恩智浦等芯片廠商均發(fā)展了SiGe業(yè)務(wù)。國(guó)內(nèi)方面，我國(guó)上海華虹集團(tuán)目前可以實(shí)現(xiàn)0.13/0.18微米SiGe芯片的量產(chǎn)。

同時(shí)，SiGe的可能性并沒(méi)有被窮盡，研究人員還在進(jìn)行更多探索。比如，近日荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種能發(fā)光的硅鍺合金，或能為硅基光源開(kāi)辟一條道路。目前，該研究團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)一款能夠集成到現(xiàn)有芯片中的硅基激光器。

要指出的是，具有較大的開(kāi)發(fā)潛力并不意味著SiGe是萬(wàn)能的。比如，SiGe的性能會(huì)受到溫度限制，無(wú)法被用于在極高溫度條件下工作的設(shè)備。另外，硅和鍺的儲(chǔ)量較為豐富，但在實(shí)驗(yàn)室制備合金的成本較高。我們期待，未來(lái)這些局限性能夠被研究人員克服，SiGe材料能發(fā)揮更大作用。