硅的原材料是普通的沙子,但当几十年前,科学家将它用来制作半导体器件以来,在摩尔定律的指导下,硅为我们的世界带来了翻天覆地的变化。如今,电子设备中所使用的大多数器件都采用了基于硅的标准CMOS工艺制作,但其中有一个部分却难以实现,这就是射频器件。目前,射频器件主要采用GaAs或SiGe工艺制造,但由于材料的稀缺性和工艺的复杂性,射频前端芯片普遍良率不高,成本居高不下。随着时下物联网及无线通信应用的迅猛扩张,射频器件对成本及集成性能有了更高要求,也推动着行业开始寻求成本更低的基于硅的标准CMOS工艺去生产射频器件。

 

GaAs工艺 标准CMOS工艺
材 料 GaAs,材料稀缺昂贵 硅,材料丰富廉价
工 艺 6英寸晶圆 8英寸晶圆,12英寸晶圆
成熟度 良率较低,产能不稳定 技术成熟、产能稳定
性能比较 GaAs电子迁移率比硅高6倍,适宜于超高速、超高频器件应用。也因为GaAs有较高的击穿电压,所以GaAs比同样的Si元件更适合操作在高功率的场合。GaAs的的另一个优点是它是直接能隙材料,所以可以用来发光。而硅是间接能隙的材料,只能发射非常微弱的光。硅的优点是成本低、具有更高集成度。

不同于传统的硅半导体(Silicon Semiconductor),GaAs属于化合物半导体(Compound Semiconductor),又称III-V族半导体,主要用在手机射频前端,如PA。进入4G时代,手机的射频前段变得更加复杂,4G设备的射频前端成本大约为9-11美元,是3G系统的两倍,是2G系统的6倍。手机射频系统主要元件包括收发器Transceiver、功率放大器Power Amplifier、滤波器Filters和Antenna Switches。2011年此市场规模大约为38亿美元,预计到2016年达到50亿美元。

日本的Murata是全球最大的MLCC厂家,也是第一大通讯模块厂家,包括蓝牙模块、WLAN模块等。日本的Murata是全球最大的MLCC厂家,也是第一大通讯模块厂家,包括蓝牙模块、WLAN模块等。同时Murata还是全球第二大SAW滤波器厂家,全球第一大天线开关厂家。2012年3月,Murata完成对Renesas旗下PA事业部的收购,从而进军PA市场,Murata在手机射频市场具备最齐全的产品线。

RFMD(2014年2月,RFMD和Triquint宣布合并)曾经是全球第一大PA厂家,但是过分依赖大客户。2008财年,诺基亚占了其收入的 59%,摩托罗拉占了14%。诺基亚在3G时代和智能手机时代快速下滑,RFMD也因此转型缓慢,业绩也随之下滑,2011年收入下滑大约17%。

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厂商动态

CMOS PA(功率放大器)在2000年前就已经出现,但是一直都处于少量出货阶段,这主要是由于成本和性能难以平衡。进入2G时代,这种低成本PA开始进入手机市场,Axiom(2009年被Skyworks收购)的CMOS PA就实现了千万级的出货量。另一家CMOS PA供应商Amalfi Semiconductor(2012年被RFMD收购)的产品也广泛应用在低成本手机上。2013年2月份,高通宣布推出可以对应LTE的CMOS PA,再一次点燃了CMOS与GaAs之间的战火。高通这个行业老大的首肯大大刺激了CMOS射频元件厂商。初创公司RFaxis凭借多项专利技术,实现了采用纯CMOS技术达到了原本只能由GaAs 或SiGe实现的性能,而成本却只有几分之一,RFaxis的产品已经获得包括高通(Qualcomm) 、博通(Broadcom)以及其他众多无线互联与物联网设备提供商的认可。英飞凌是另一家支持CMOS射频的厂商,多年前就推出了采用CMOS工艺的射频开关。另一家厂商Peregrine(2014年8月Murata宣布收购Peregrine)是SOI(绝缘体上硅)技术的领导者,其UltraCMOS技术为射频产品带来了高度集成的单芯片方案,目前已向市场提供二十多亿个UltraCMOS芯片。

厂商动态

GaAs射频功率放大器
基于SOI技术的UltraCMOS
标准CMOS射频前端器件

射频前端系统的主控制端主要还是在于数据机平台,而目前LTE数据机早已普遍采用CMOS制程,因此若射频前端系统亦能导入CMOS制程,将大幅提高LTE平台控制介面的整合度。

GaAs是一种化合物半导体,产能及价格波动大,相对而言,以矽(Silicon)制程为基础的CMOS 在制程技术及原物料供应上都较为稳定,且价格更便宜,因而逐渐受到市场青睐;而且,透过平均功率追踪(APT)、封包追踪(ET)、数位预失真 (Digital Pre Distortion, DPD)、天线调谐(Antenna Tuner)等技术的协助,CMOS解决方案已渐渐能满足载波聚合对线性及功耗的需求。

英飞凌目前以CMOS制程生产的天线开关,在线性度、插入损耗(Insertion Loss)等性能表现上,都已通过一线手机大厂的肯定,且认证其效能表现已可媲美GaAS天线开关,并能符合载波聚合功能的需要,其性价比优势尽显。

CMOS功率放大器与现下主流的砷化镓功率放大器各有优缺点,市场上同时对于两种制程技术都有需求,因此短期内仍难以分出绝对胜负,为了不流失任一市场,Skyworks将维持CMOS、GaAs及绝缘层上矽(SOI)射频元件多头并行的策略,以满足各种客户群的需要。