5G RF需求掀化合物半導體材料新契機

作者: Junko Yoshida,EE Times首席國際特派記者

隨著矽半導體性能日趨接近極限,越來越多的RF晶片設計公司致力於尋找新材料來解決問題,RF設計人員也在挖空心思為5G RF前端系統設計尋找矽之外的新材料以及新的開發架構…

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。

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