芯東西（ID：aichip001）編 | 溫淑

芯東西6月9日消息，疫情帶來的不確定性正蔓延到全球半導體產業，盡管第一季度汽車和通信業務表現不佳，但恩智浦近期的兩個發布傳達出積極的訊號。

今年4月底，恩智浦宣布與5G移動平臺系統級封裝集成制造商村田制作所（Murata）達成合作，將率先交付業界首個采用最新的Wi-Fi 6標準的射頻前端模塊，隨后在5月20日宣布這些模塊被小米Mi 10 5G手機采用。

射頻前端關乎手機信號強弱和無線通信的距離。從2G到4G，每一代蜂窩技術的演進都會帶來射頻前端需求量的暴漲。隨著各大手機廠商紛紛布局高端5G設備，對性能、集成、尺寸和Wi-Fi 6功能均提出了更高的需求。

與借助采用更先進制程實現技術升級的處理器芯片不同，射頻前端芯片的技術升級主要依靠新設計、新工藝和新材料的結合，業界普遍采用的器件材料及工藝平臺有RF CMOS、SOI、SiGe等。

作為全球頂尖的Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E前端供應商，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現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：產品銷量數以億計

盡管受新冠疫情影響，恩智浦汽車業務陷入困境，但其SiGe業務卻在蓬勃發展。位于Nijmegen的ICN8工廠和SSMC在新加坡的合資工廠正在全速生產SiGe芯片。

據恩智浦無線業務部門智能天線解決方案（SAS）產品線的營銷高級總監Rob Hoeben說，其SiGe芯片相當受客戶歡迎，目前該產品的銷量數以億計，“（如果）大公司某型號的手機產量為1億部，每一臺手機里都要搭載我們的3塊芯片。那么，一位這樣的客戶就能帶來3億的交易量”。

SAS為移動和無線基礎架構提供集成的RF前端，專注于6 GHz以下和毫米波以下的移動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勢。

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

按照Hoeben的說法，Wi-Fi 6E對于SiGe來說是個完美的選擇，因為該技術可以使寬帶前端在5-7 GHz的整個頻段范圍內都表現出色。“客戶可采用Wi-Fi芯片并將其設置為5或6 GHz，將我們的集成電路放在其前面，它將獨立于所選頻率工作。”

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

5G亦是恩智浦SiGe主攻的重要應用，當前Sub-6 GHz在中國和歐洲的部署正在提速，北美也實現了基于毫米波頻段的部署。Hoeben指出，SiGe芯片可應用于sub-6 GHz基站發揮作用。

二、IBM研究員“失手”造出的半導體新材料

SiGe，這一幫恩智浦斬獲過億銷量、贏得小米青睞的新材料，實際上是在約50年前的一次意外中被發現的。

1979年，IBM研究員Bernard Meyerson不小心把一片剛用氫氟酸清理過的硅片掉在了地上。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，他發現硅片是防水的。

原本，他以為這是因為硅片與空氣反應，在表面生成了一層氧化層，但進一步研究結果顯示，硅片其實是與氫氟酸發生了反應，其表面的保護是氫層。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就會脫落。

這個發現為SiGe的實現奠定了基礎。

▲IBM制造的基于SiGe晶體管的芯片

當時，為了進一步增加芯片上晶體管數目，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無法承受這么高的溫度。

Bernard的發現為SiGe的制備指出了一個新思路——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生成固溶體。事實證明，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墊付費用，由IBM開發并制造SiGe芯片。隨著資金不斷涌入，IBM很快投入開發、生產，幾乎在一夜之間創造了無線技術的新領域。

目前，IBM的SiGe芯片工藝已經發展到第五代。

生產SiGe晶體管常用工藝有雙極工藝、SiGe BiCMOS工藝、SiGe應變CMOS工藝、CBIP工藝、CBiCMOS工藝。其中，雙極工藝最為主流，在工藝上已經越過0.35、0.18、0.13微米節點。

三、不僅5G手機能用，還能改進汽車整流器和太陽能電池

SiGe材料屬于第二代半導體材料。在四五十年的研究中，IC設計師發現，SiGe芯片相比硅芯具有以下優勢：1、零部件成本低；2、節省電源，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）等主流第二代半導體材料，SiGe材料的制備成本更低。在某些應用場景中，SiGe芯片的性能并不遜色（比如恩智浦的SiGe射頻前端模塊）。

基于這些優點，SiGe材料在汽車、通信、太陽能等領域有巨大的應用潛力。

比如，在汽車領域，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定的電壓，能使行駛過程更加平穩，還能保證動力的供應。

以荷蘭半導體商Nexperia推出的SiGe整流器為例，這款產品具有120V、150V和200V的反向電壓，可以承受175°C的溫度而不發生熱失控。有了這種熱容量，設計師不必依賴快速恢復二極管來處理高溫情況，可以提高設計效率。

▲Nexperia推出的SiGe整流器

德國半導體公司英飛凌還推出基于SiGe芯片的車用雷達系統。其中，77 GHz遠程雷達系統可用于避撞系統，24 GHz 近/中程雷達系統可用于盲點監測系統。

在通信領域，美國半導體公司Maxim（美信）曾用SiGe雙極晶體管GST-3和硅晶體管GST-2做比較，結果顯示SiGe晶體管的增益更高、噪聲更低、可用于大電流應用。

▲SiGe GST-3雙極晶體管和硅GST-2晶體管對比

NASA研究人員還發現，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，在藍寶石襯底上生成了SiGe。然后，他們用同一塊晶圓在藍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太陽能LED顯示屏。

SiGe太陽能電池具有3個優點：能量轉換效率達到30～40%，其他現有方法的能量轉換效率一般為15～20%；使用壽命為約80年，通常太陽能電池板系統的壽命為25～30年；相比其他太陽能電池材料，硅和鍺的成本更低、儲量更豐富。

▲NASA制備SiGe太陽能電池的過程

結語：國產SiGe芯片已邁進0.13微米

20世紀末，SiGe的發現為進一步縮小晶體管尺寸帶來了可能。直到現在，由于具有優良的性能，SiGe還被視為通信、汽車、太陽能等領域的重要材料。IBM、意法半導體、索尼、恩智浦等芯片廠商均發展了SiGe業務。國內方面，我國上海華虹集團目前可以實現0.13/0.18微米SiGe芯片的量產。

同時，SiGe的可能性并沒有被窮盡，研究人員還在進行更多探索。比如，近日荷蘭埃因霍芬理工大學的科研團隊研發出一種能發光的硅鍺合金，或能為硅基光源開辟一條道路。目前，該研究團隊正在研發一款能夠集成到現有芯片中的硅基激光器。

要指出的是，具有較大的開發潛力并不意味著SiGe是萬能的。比如，SiGe的性能會受到溫度限制，無法被用于在極高溫度條件下工作的設備。另外，硅和鍺的儲量較為豐富，但在實驗室制備合金的成本較高。我們期待，未來這些局限性能夠被研究人員克服，SiGe材料能發揮更大作用。