现今很多刊物都有大量关于硅（silicon）与砷化镓（GaAs）两者比较的讨论。虽然为了增加可读性，这种比较会被绘声绘色，但事实是在无线市场中仍然有很多其他半导体技术选择。砷化镓是制造手机语音频号链路中的功率放大器（power amplifier；PA）最常用的技术，而砷化镓的特性也的确非常适合于这种应用。然而，不论是在可携式设备还是WLAN卡应用中，多媒体存取的发展趋势不断成长，这要求另一种讯号链路，能具有以下的特点：占位面积小、功耗低和提供多模多频带性能。而能满足上述所有要求的解决方案无疑就是硅半导体制程，比如硅锗（SiGe）。本文将详细探讨硅锗的特性，并特别针对多模无线存取应用将之与砷化镓进行比较。

虽然无线组件正面对着减小占位面积、增加功能性和降低功耗的挑战，但说到底，真正决定终端产品成功与否的是客户是否获得良好的使用体验。一直以来，硅是一种高整合度的低成本材料，自然成为了整个半导体产业的优先选择。但随着无线设备的工作频率开始提高，传统硅CMOS制程就显得局限，因此产业界需要更具创新性的解决方案。当时砷化镓和锗硅制程都正在开发当中，而由于砷化镓首先展现出可以实现大输出功率、高频应用的能力，因此砷化镓在手机PA中找到了位置。另一方面，硅锗也进入了大宗生产阶段，并证明了特别适用于例如行动设备等高功能性整合和低可变工作电压的应用。

PA设计

半导体制程必需能够支持PA设计不断变化的需求。十年前，其重点主要在于分隔功能性模块，以尽量提高性能，其时商用手机产业才刚起步不久，消费者甚至无法想象出今天手机上的各种先进功能。在砷化镓制程最初投入使用之际，市场的确要求PA能够提供大输出功率。那时，尽管手机设计在不断缩小体积，但PA及其支持电路的占位面积仍然相当大。

此后，无线设备的体积发生了巨大的变化，而且无线连接性也超出了手机领域。现在，行动和可携式设备之类的产品都要求在单一模块中实现功能整合和功能转换。由于这是一个以硅为基础的制程，所以对这些新应用而言，硅锗是十分理想的材料，可用于整合偏置、调节、控制、界面和滤波等功能。

另一方面，所有这些功能都难以在砷化镓中实现，原因是标准的晶圆代工制程中缺乏NFET/PFET组件。此外，利用砷化镓HBT来实现复杂的数字和模拟功能会受到高「负正负」导通电压的限制，使低电池电压环境中的电路拓扑选择大为减少。因此，在功耗和版图方面，电流驱动的砷化镓控制技术与电压驱动的MOS技术不存在竞争性，故砷化镓PA需要硅控制功能。另外，复杂的仿真和射频（RF）滤波选项功能是砷化镓的另一个挑战，因为被动组件整合密度较低，而且缺少简单的MOS开关控制。在实际中，虽然RF讯号链路只占PA设计的20％，但却正是整合这种支持电路的能力决定了功放功能的好坏

《图一 手机链路的模块示意图》

电压要求

手机中的大部分组件都是针对+1.8 VDC工作电压而优化的，当前的亚0.1μ硅CMOS制程支持+1.8 VDC的RF收发器和微处理器。可惜的是，砷化镓RF功放需要系统级的外部调节器，要求+3-VDC的电压，以保持稳定的参考电压。该电压一般通过额外的串联电阻来转换为简单的电流源，并通过一个简单的射极跟随器（emitter/follower）电路在预定义级上固定放大器的偏置点。这种模式的意外调制有可能严重影响放大器的性能，并要求终端用户在参考电压和PA之间保持良好的去耦连接。请注意：图二中滤波器和低压降（low-drop out；LDO）稳压器的占位面积出乎意料地大于功率放大器。

《图二 砷化镓手机模块示意图》

此外，还需注意的是，基于硅的HBT和CMOS组件如硅锗组件，会在+0.6 VDC时完全启动，但砷化镓HBT和pHEMT组件则必需直到+1.3 VDC才能完全启动。手机设计人员的目标是在+3 VDC以下获得可用的功率，让手机能够采用电压更低、能量更高的电池来工作。由于硅锗拥有这种工作电压更低和整合BiCMOS控制逻辑的能力，因此成为实现上述目标的更佳选择。另一方面，以砷化镓为基础的RF功率组件则限制了转向3V以下电池的能力。

应用

硅锗和砷化镓所适合的最佳应用相当不同，涵盖了从蜂窝手机到GPS、WLAN、FM、蓝牙和WiMAX宽带的各种技术。一般而言，产品对整合度、控制能力和良好的RF讯号链路的要求越高，就越适合选择硅锗。而对于某些体积小、功能单一的高频应用，砷化镓应该是更好的选择。

多媒体行动设备中的无线连接性要求小占位面积、多模/多频带性能和低功耗的特性。在消费电子市场，产品功能性整合度越低，就越适合选用以砷化镓为基础的技术。例如，适合采用砷化镓的应用包括手机PA和USB适配器。功能性整合度越高，硅锗BiCMOS技术在成本和体积方面的优势就越大，而且性能媲美砷化镓。这样，适合于硅锗的应用就包括无线连接[1]、多媒体、多频带应用，例如WLAN连接[2]、无线视频分配和个人娱乐设备等。

占位面积要求：整合度与模块化

众所周知，当一项技术逐渐成熟时都会迈向模块化和更高整合度的方向发展。硅锗和砷化镓在整合度和整合规模（即在相同芯片或模块中可以整合的组件数目）方面的表现不尽相同。系统级封装（system in package；SIP）技术较系统单芯片（system on chip；SoC）方式能为无线连接和行动通讯带来更大的优势。SIP或模块化技术让设计人员能够整合最好的半导体制程技术，并获得较佳的性能权衡。例如，由于模拟RF需要BiCMOS中的偏置和控制，故SIP可以根据情况在相同封装中同时采用砷化镓和硅BiCMOS。

采用砷化镓来实现功率放大的设计人员现在能够以很高的整合度整合PA和低噪放大器（LNA）及开关。例如，TriQuint半导体早前推出用于前端的砷化镓RFIC就具有这种整合度。不过，由于这是在砷化镓中实现的，所以组件仍然需要本来应在硅芯片中实现的外部滤波和控制电路。

在小尺寸的单颗IC上整合硅锗双极型RF性能与硅锗CMOS偏置及控制功能，正是促进行动消费电子设备中多媒体服务无线连接迅速成长的关键力量。譬如，SiGe半导体的SE2593前端模块就整合了多个功率放大器、LNA、功率检测器、T/R开关、滤波器、双工器和相关匹配电路，如图三。

在一个典型的802.11b/g PA中，偏置和控制大约占据硅锗BiCMOS解决方案裸片面积的15％。如果采用砷化镓制程，砷化镓RF前端裸片附带的硅CMOS偏置和控制IC大约占模块中总体半导体裸片的35％（互连垫片占CMOS裸片面积的8％ 左右。注意：硅锗BiCMOS解决方案并不需要这种互连）。

《图三 SiGe半导体的SE2593前端模块》

制造和经济规模

硅锗制程采用标准的CMOS制程，在批量生产方面颇有优势，故可以降低成本。这种制程目前在全球最大的CMOS厂都可以进行，不但产能高，而且生产周期短。事实上，全球最大的一些晶圆代工厂也开始把其现有的200mm生产线转换为支持模拟/RF BiCMOS。这样，200mm生产线将可以继续进行硅锗仿真/RF组件的大批量生产。

砷化镓制程一般由专门的制造厂完成，而硅锗则是不断增长的RF无晶圆厂半导体模式的一部分[3]。这种无晶圆厂模式使产业逐渐从专门的制造厂过度至晶圆代工模式，这也正是半导体产业各个领域历来的必经之路，并证实是一种更可确保供货稳定的商业化模式，因为这样可以同时获得多个晶圆代工厂的支持。例如，硅锗BiCMOS是一种广为利用的技术，IBM、台积电、意法半导体以及Jazz等全球最大的模拟/混合讯号半导体晶圆代工厂都在采用。因此，不同于砷化镓，它没有产能限制之虞。

发展蓝图：硅技术和无线技术的未来展望

虽然针对低功耗应用的60GHz工作频率硅锗技术的开发不断，但砷化镓仍然是5GHz及以上应用的主要技术。硅锗目前是3GHz以下，尤其是消费电子的主导技术。我们可以预期硅锗的功率处理极限还将继续取得突破。

随着砷化镓和硅技术中功能性整合度的提高，裸片尺寸可能缩小，更多的焦点将放在降低封装、装配和测试成本上。例如，与建基于砷化镓的RF前端模块相比，采用硅锗BiCMOS技术的单芯片RF前端IC的尺寸更小，而装配成本也更低。

大型晶圆代工厂大部分都拥有以BiCMOS为基础的完善发展蓝图。在BiCMOS技术节点和整合额外标准模块方面，设计人员也有着明确的计划。就以客户要求配有串行接口的全新RF前端模块设计为例，若选择BiCMOS，设计人员可以下载一个预先设计好的单元，把它添加到自己的芯片上。若采用砷化镓，工程人员就必须立即着手设计晶体管。BiCMOS技术有众多IP模块可供选择，故比砷化镓具有更大的优势。因此，选择BiCMOS技术就无需针对定制功能性设计晶体管，工程人员可以直接利用IP模块来实现标准功能，从而把有限的设计资源集中在支持客户和加快上市速度的工作上。

CMOS的限制正不断被突破，例如今年初英飞凌推出了一款RF CMOS开关[4]。大多数设计人员都承认硅CMOS的优点，许多也把硅锗视为转换至硅技术的过度技术，而最终BiCMOS技术将在单一制造制程中结合了HBT（PA、LNA、RF开关）和CMOS（偏置和控制）的优势。对设计人员来说，这代表着更佳的设计流程、整合式I/O以及IP模块的使用。

对于客户，这就意味着可以利用定制的高整合解决方案更迅速地生产 IC样本，并缩短上市时间。作为一项BiCMOS技术而言，硅锗是一种已获验证、适用于无线应用的半导体材料，目前市场上的产品包括用于WLAN、蓝牙、GPS和WiMAX 技术的RF前端产品。另外，它还可用于实现新一代绝缘硅（silicon on insulator；SOI）技术。硅锗BiCMOS技术是实现小尺寸、低功耗、高性能多模多频带RF前端产品的关键，在主要的消费电子市场中，这类RF前端产品对于多媒体应用的无线连接整合是非常重要的。

---作者为SiGe半导体技术长及工程副总裁---

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