硅鍺BiCMOS突破成本和性能難以平衡困難

砷化鎵PA是CMOS工藝通向“單芯片手機(jī)”之路上的最后堡壘。這個(gè)堡壘并不易攻克，因?yàn)镃MOS PA的性能比不上砷化鎵PA，而提高性能帶來(lái)的成本增加則會(huì)讓CMOS PA失去成本優(yōu)勢(shì)。

在基帶、電源管理和射頻收發(fā)等關(guān)鍵器件相繼被CMOS工藝集成后，采用砷化鎵工藝的功率放大器（PA），成為CMOS工藝通向真正的“單芯片手機(jī)”的最后堡壘。多家初創(chuàng)公司一直致力用CMOS PA替代砷化鎵PA，其中AXIOM已經(jīng)在2G手機(jī)上實(shí)現(xiàn)了千萬(wàn)級(jí)的出貨量，而Javelin也宣稱今年6月份將量產(chǎn)CMOS工藝的3G PA。

但和初創(chuàng)公司的高調(diào)相比，RFMD、Anadigics和英飛凌等現(xiàn)有供應(yīng)商仍對(duì)CMOS PA持懷疑態(tài)度，認(rèn)為CMOS PA很難在成本和性能上取得平衡，即使是收購(gòu)了AXIOM的Skyworks也認(rèn)為CMOS PA在3G和4G等高端應(yīng)用市場(chǎng)空間有限。而SiGe半導(dǎo)體等公司則在走中間路線，認(rèn)為取代砷化鎵功放的將是SiGe BiCOMS工藝，而不是CMOS工藝。

成本和性能難以平衡，CMOS PA限于2G市場(chǎng)

眾所周知，因?yàn)榉夏柖?，CMOS工藝的優(yōu)勢(shì)是低成本、低功耗和高集成度等，從某種意義上來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的歷史就是CMOS工藝進(jìn)步的歷史。Javelin公司的CEO Brad Fluke表示：“歷史證明，一旦可以基本滿足某項(xiàng)應(yīng)用所需的性能，那么在和其它工藝的競(jìng)爭(zhēng)中，CMOS工藝總是勝利者?！?/p>

問題是，目前CMOS PA仍然難以在成本和性能間取得平衡，CMOS PA既達(dá)不到砷化鎵功放的性能，成本優(yōu)勢(shì)也并非絕對(duì)。

一方面，雖然CMOS晶圓比砷化鎵晶圓便宜很多，但CMOS功放的面積比砷化鎵功放大，最終單個(gè)器件的成本優(yōu)勢(shì)并不像想象的那么明顯。目前6英寸GaAs晶圓可以產(chǎn)出大約為5，000～10，000片功放，而8英寸硅晶圓可以產(chǎn)出的功放數(shù)量要比這個(gè)數(shù)目少的多。這是由于CMOS器件本身的特性決定的。RFMD公司的專家表示：“在CMOS 器件中，電流是沿著晶片表面橫向流動(dòng)的水平電流，而砷化鎵HBT工藝器件，電流流動(dòng)是縱向流動(dòng)的垂直電流。所以砷化鎵功放可以做到比CMOS功放小50%到70%?！?/p>

另一方面，從功放應(yīng)用看，相對(duì)于CMOS器件，砷化鎵器件有物理材料上的優(yōu)勢(shì)。雖然CMOS器件這方面的缺陷可以用更復(fù)雜的設(shè)計(jì)來(lái)彌補(bǔ)，但是這樣一來(lái)，會(huì)大幅提高成本。比如絕緣硅（SOI）技術(shù)在射頻領(lǐng)域中的應(yīng)用。相比體硅基板上的CMOS晶體管，SOI技術(shù)提升了電子遷移率，有助于緩解大功率、高效率CMOS 功放制造中的一些問題。但CMOS SOI晶圓的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常見模擬/混合信號(hào)CMOS工藝技術(shù)的成本。因此在3G/4G應(yīng)用中，CMOS的成本優(yōu)勢(shì)會(huì)更小，因?yàn)楦咝阅芤蟛捎酶鼜?fù)雜、昂貴的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

對(duì)此，深圳廣迪克科技有限公司總經(jīng)理徐杰表示：“如果采用同樣的工藝節(jié)點(diǎn)，CMOS PA能應(yīng)用的頻率比砷化鎵PA要低得多。”作為新興的射頻PA供應(yīng)商，廣迪克的砷化鎵PA已經(jīng)開始大量出貨，據(jù)稱在效率、最高功率等方面都達(dá)到了國(guó)際同類產(chǎn)品的水平。為了把握PA的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，2009年末徐杰專程前往美國(guó)考察CMOS PA技術(shù)發(fā)展情況，得出的結(jié)論是近期CMOS PA不會(huì)成為主流，因此更堅(jiān)定了開發(fā)砷化鎵PA的決心。

因此，在2G手機(jī)等低端應(yīng)用中，由于對(duì)線性度、頻率、擊穿電壓、峰值電流、效率的要求相對(duì)較低，不需要CMOS PA采用太過(guò)復(fù)雜、昂貴的設(shè)計(jì)，因?yàn)槌杀緝?yōu)勢(shì)，未來(lái)CMOS PA的市場(chǎng)份額可能持續(xù)擴(kuò)大，但在3G/4G等高端應(yīng)用中，受限于性能和復(fù)雜設(shè)計(jì)的成本提升，CMOS PA近期不會(huì)大規(guī)模取代砷化鎵功放。

圖：2008年全球砷化鎵PA供應(yīng)商排名

這從Skyworks已經(jīng)售出總量超過(guò) 2，500 萬(wàn)顆的GPRS應(yīng)用 CMOS功放中就可見一斑。Skyworks的市場(chǎng)總監(jiān)Thomas表示：“在對(duì)性能不十分苛求的市場(chǎng)領(lǐng)域，CMOS PA的合理成本已經(jīng)使其在 GPRS 應(yīng)用上極具競(jìng)爭(zhēng)力，成為 GaAs功放的替代產(chǎn)品，我們相信，這種趨勢(shì)還將持續(xù)下去?！?/p>

但Thomas也坦承，在3G/4G應(yīng)用上，砷化鎵依然具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)，CMOS的成本優(yōu)勢(shì)也不再明顯，因此在這些無(wú)線技術(shù)領(lǐng)域，CMOS PA的市場(chǎng)占有率不會(huì)有大幅提升。

例如在WCDMA應(yīng)用中，大電流持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，電流達(dá)到400-500mA，而目前2G應(yīng)用中的CMOS功放，電流超過(guò)300mA就無(wú)法承受。當(dāng)然可以通過(guò)更復(fù)雜的架構(gòu)設(shè)計(jì)提高CMOS功放的性能，但復(fù)雜的設(shè)計(jì)意味著更高的價(jià)格。

這些性能挑戰(zhàn)是由CMOS晶體管本身的物理結(jié)構(gòu)所決定的。對(duì)于CMOS功放，要提高效率，需要較小的晶體管；而要增大功率，又需要較大的晶體管，這是一個(gè)難以調(diào)和的矛盾。SiGe公司亞太區(qū)市場(chǎng)總監(jiān)高國(guó)洪表示：“CMOS功放由于輸出阻抗極低，又很難建立50歐姆負(fù)載的帶寬匹配，因此 CMOS 功放輸出級(jí)的“穩(wěn)健性”（耐受天線阻抗大幅改變的能力）不太好。為了增強(qiáng)互聯(lián)網(wǎng)接入能力，增加使用iPhone等智能電話時(shí)的多媒體性能，手機(jī)網(wǎng)絡(luò)不斷提高工作頻率和帶寬，CMOS 功放因此面臨著越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?！?/p>

CMOS帶來(lái)的“單芯片手機(jī)”夢(mèng)想和現(xiàn)實(shí)