IBM“失手”摔出新材料！恩智浦用它造射频芯片卖给小米
今年4月底，恩智浦宣布与5G移动平台系统级封装集成制造商村田制作所（Murata）达成合作，将率先交付业界首个采用最新的Wi-Fi 6标准的射频前端模块，随后在5月20日宣布这些模块被小米Mi 10 5G手机采用。射频前端关乎手机信号强弱和无线通信的距离。从2G到4G，每一代蜂窝技术的演进都会带来射频前端需求量的暴涨。随着各大手机厂商纷纷布局高端5G设备，对性能、集成、尺寸和Wi-Fi 6功能均提出了更高的需求。与借助采用更先进制程实现技术升级的处理器芯片不同，射频前端芯片的技术升级主要依靠新设计、新工艺和新材料的结合，业界普遍采用的器件材料及工艺平台有RF CMOS、SOI、SiGe等。作为全球顶尖的Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E前端供应商，此次恩智浦在其最新射频前端方案中即选用SiGe（锗硅），相比CMOS，它能在同一成本基本上实现更高的射频输出功率；相比SOI，它的输出功率水平和功率效率更高。
01押宝SiGe芯片：产品销量数以亿计尽管受新冠疫情影响，恩智浦汽车业务陷入困境，但其SiGe业务却在蓬勃发展。位于Nijmegen的ICN8工厂和SSMC在新加坡的合资工厂正在全速生产SiGe芯片。据恩智浦无线业务部门智能天线解决方案（SAS）产品线的营销高级总监Rob Hoeben称，其SiGe芯片相当受客户欢迎，目前该产品的销量数以亿计，“（如果）大公司某型号的手机产量为1亿部，每一台手机里都要搭载我们的3块芯片。那么，一位这样的客户就能带来3亿的交易量”。
SAS为移动和无线基础架构提供集成的RF前端，专注于6 GHz以下和毫米波以下的移动WLAN和5G，而SiGe在任何输出功率低于1或2瓦的射频或毫米波都具备优势。相比第五代Wi-Fi，Wi-Fi 6采用了升级的调制技术，能连接了更多用户，且速度更快、电池性能更优、传输质量更高。Wi-Fi 6E可理解为Wi-Fi 6的增强版本，除支持2.4 GHz、5 GHz频段外，还加入了对6 GHz频段（5.925-7.125 GHz，共1.2 GHz带宽）的支持。按照Hoeben的说法，Wi-Fi 6E对于SiGe来说是个完美的选择，因为该技术可以使宽带前端在5-7 GHz的整个频段范围内都表现出色。“客户可采用Wi-Fi芯片并将其设置为5或6 GHz，将我们的集成电路放在其前面，它将独立于所选频率工作。”而像砷化镓（GaAs）这样的技术，禁带宽度更窄，需要多个功率放大器，也就意味着解决方案会更加昂贵。5G亦是恩智浦SiGe主攻的重要应用，当前Sub-6 GHz在中国和欧洲的部署正在提速，北美也实现了基于毫米波频段的部署。Hoeben指出，SiGe芯片可应用于sub-6 GHz****发挥作用。
02IBM研究员“失手”造出的半导体新材料SiGe，这一帮恩智浦斩获过亿销量、赢得小米青睐的新材料，实际上是在大约50年前的一次意外中被发现的。 1979年，IBM研究员Bernard Meyerson不小心把一片刚用氢氟酸清理过的硅片掉在了地上。为了去除硅片在地面上沾染的污物，Bernard试图用水冲洗硅片。这时，他发现硅片是防水的。 原本，他以为这是因为硅片与空气反应，在表面生成了一层氧化层，但进一步研究结果显示，硅片其实是与氢氟酸发生了反应，其表面的保护是氢层。两者的差别在于，硅片上的氧化层要加热到1000°C才能被去除，而氢层只要加热到600°C就会脱落。 这个发现为SiGe的实现奠定了基础。
▲IBM制造的基于SiGe晶体管的芯片当时，为了进一步增加芯片上晶体管数目，研究人员试图采用SiGe材料的晶体管。要把锗集成到硅上，首先要加温到1000°C，以除去硅表面的空气氧化层。但是，新生成的SiGe无法承受这么高的温度。Bernard的发现为SiGe的制备指出了一个新思路——先让硅与氢氟酸生成氢层，再在550°C的温度下让硅与锗反应生成固溶体。事实证明，这种方法是可行的，SiGe材料由此诞生。1992年，IBM的SiGe小组成员缩减到仅剩两人：Meyerson和电气工程师David Harame。但是，两人仍然对SiGe有信心，并决定向IBM外部寻求资金。最终，多家通信公司同意向IBM垫付费用，由IBM开发并制造SiGe芯片。随着资金不断涌入，IBM很快投入开发、生产，几乎在一夜之间创造了无线技术的新领域。目前，IBM的SiGe芯片工艺已经发展到第五代。
生产SiGe晶体管常用工艺有双极工艺、SiGe BiCMOS工艺、SiGe应变CMOS工艺、CBIP工艺、CBiCMOS工艺。其中，双极工艺最为主流，在工艺上已经越过0.35、0.18、0.13微米节点。
03不仅5G手机能用，还能改进汽车整流器和太阳能电池SiGe材料属于第二代半导体材料。在四五十年的研究中，IC设计师发现，SiGe芯片相比硅芯具有以下优势：1、零部件成本低；2、节省电源，能效较高；3、集成性好；4、电子迁移率较高；5、体积小；6、具有高频振荡能力。相比于GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟）等主流第二代半导体材料，SiGe材料的制备成本更低。在某些应用场景中，SiGe芯片的性能并不逊色（比如恩智浦的SiGe射频前端模块）。 基于这些优点，SiGe材料在汽车、通信、太阳能等领域有巨大的应用潜力。
德国半导体公司英飞凌还推出基于SiGe芯片的车用雷达系统。其中，77 GHz远程雷达系统可用于避撞系统，24 GHz 近/中程雷达系统可用于盲点监测系统。 在通信领域，美国半导体公司Maxim（美信）曾用SiGe双极晶体管GST-3和硅晶体管GST-2做比较，结果显示SiGe晶体管的增益更高、噪声更低、可用于大电流应用。
NASA研究人员还发现，除了利用SiGe材料本身，它的生成方式也具有借鉴意义。研究人员采用与在硅衬底上相同的方法，在蓝宝石衬底上生成了SiGe。然后，他们用同一块晶圆在蓝宝石衬底的另一面生成一层氮化镓或氮化铟镓。最终，研究人员制备出一个太阳能LED显示屏。SiGe太阳能电池具有3个优点：能量转换效率达到30～40%，其他现有方法的能量转换效率一般为15～20%；使用寿命为约80年，通常太阳能电池板系统的寿命为25～30年；相比其他太阳能电池材料，硅和锗的成本更低、储量更丰富。
20世纪末，SiGe的发现为进一步缩小晶体管尺寸带来了可能。直到现在，由于具有优良的性能，SiGe还被视为通信、汽车、太阳能等领域的重要材料。IBM、意法半导体、索尼、恩智浦等芯片厂商均发展了SiGe业务。国内方面，我国上海华虹集团目前可以实现0.13/0.18微米SiGe芯片的量产。同时，SiGe的可能性并没有被穷尽，研究人员还在进行更多探索。比如，近日荷兰埃因霍芬理工大学的科研团队研发出一种能发光的硅锗合金，或能为硅基光源开辟一条道路。目前，该研究团队正在研发一款能够集成到现有芯片中的硅基激光器。要指出的是，具有较大的开发潜力并不意味着SiGe是万能的。比如，SiGe的性能会受到温度限制，无法被用于在极高温度条件下工作的设备。另外，硅和锗的储量较为丰富，但在实验室制备合金的成本较高。我们期待，未来这些局限性能够被研究人员克服，SiGe材料能发挥更大作用。
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