現今很多刊物都有大量關於矽（silicon）與砷化鎵（GaAs）兩者比較的討論。雖然為了增加可讀性，這種比較會被繪聲繪色，但事實是在無線市場中仍然有很多其他半導體技術選擇。砷化鎵是製造手機語音訊號鏈路中的功率放大器（power amplifier；PA）最常用的技術，而砷化鎵的特性也的確非常適合於這種應用。然而，不論是在可攜式設備還是WLAN卡應用中，多媒體存取的發展趨勢不斷成長，這要求另一種訊號鏈路，能具有以下的特點：佔位面積小、功耗低和提供多模多頻帶性能。而能滿足上述所有要求的解決方案無疑就是矽半導體製程，比如矽鍺（SiGe）。本文將詳細探討矽鍺的特性，並特別針對多模無線存取應用將之與砷化鎵進行比較。

雖然無線元件正面對著減小佔位面積、增加功能性和降低功耗的挑戰，但說到底，真正決定終端產品成功與否的是客戶是否獲得良好的使用體驗。一直以來，矽是一種高整合度的低成本材料，自然成為了整個半導體產業的優先選擇。但隨著無線設備的工作頻率開始提高，傳統矽CMOS製程就顯得侷限，因此產業界需要更具創新性的解決方案。當時砷化鎵和鍺矽製程都正在開發當中，而由於砷化鎵首先展現出可以實現大輸出功率、高頻應用的能力，因此砷化鎵在手機PA中找到了位置。另一方面，矽鍺也進入了大宗生產階段，並證明了特別適用於例如行動設備等高功能性整合和低可變工作電壓的應用。

PA設計

半導體製程必需能夠支持PA設計不斷變化的需求。十年前，其重點主要在於分隔功能性模組，以儘量提高性能，其時商用手機產業才剛起步不久，消費者甚至無法想像出今天手機上的各種先進功能。在砷化鎵製程最初投入使用之際，市場的確要求PA能夠提供大輸出功率。那時，儘管手機設計在不斷縮小體積，但PA及其支援電路的佔位面積仍然相當大。

　　　此後，無線設備的體積發生了巨大的變化，而且無線連線性也超出了手機領域。現在，行動和可攜式設備之類的產品都要求在單一模組中實現功能整合和功能轉換。由於這是一個以矽為基礎的製程，所以對這些新應用而言，矽鍺是十分理想的材料，可用於整合偏置、調節、控制、界面和濾波等功能。

　　　另一方面，所有這些功能都難以在砷化鎵中實現，原因是標準的晶圓代工製程中缺乏NFET/PFET元件。此外，利用砷化鎵HBT來實現複雜的數位和類比功能會受到高「負正負」導通電壓的限制，使低電池電壓環境中的電路拓撲選擇大為減少。因此，在功耗和版圖方面，電流驅動的砷化鎵控制技術與電壓驅動的MOS技術不存在競爭性，故砷化鎵PA需要矽控制功能。另外，複雜的模擬和射頻（RF）濾波選項功能是砷化鎵的另一個挑戰，因為被動元件整合密度較低，而且缺少簡單的MOS開關控制。在實際中，雖然RF訊號鏈路只佔PA設計的20％，但卻正是整合這種支援電路的能力決定了功放功能的好壞

《圖一　手機鏈路的模組示意圖》

電壓要求

手機中的大部分元件都是針對+1.8 VDC工作電壓而優化的，當前的亞0.1μ矽CMOS製程支持+1.8 VDC的RF收發器和微處理器。可惜的是，砷化鎵RF功放需要系統級的外部調節器，要求+3-VDC的電壓，以保持穩定的參考電壓。該電壓一般通過額外的串聯電阻來轉換為簡單的電流源，並通過一個簡單的射極跟隨器（emitter/follower）電路在預定義級上固定放大器的偏置點。這種模式的意外調製有可能嚴重影響放大器的性能，並要求終端使用者在參考電壓和PA之間保持良好的去耦連接。請注意：圖二中濾波器和低壓降（low-drop out；LDO）穩壓器的佔位面積出乎意料地大於功率放大器。

《圖二　砷化鎵手機模組示意圖》

此外，還需注意的是，基於矽的HBT和CMOS元件如矽鍺元件，會在+0.6 VDC時完全啟動，但砷化鎵HBT和pHEMT元件則必需直到+1.3 VDC才能完全啟動。手機設計人員的目標是在+3 VDC以下獲得可用的功率，讓手機能夠採用電壓更低、能量更高的電池來工作。由於矽鍺擁有這種工作電壓更低和整合BiCMOS控制邏輯的能力，因此成為實現上述目標的更佳選擇。另一方面，以砷化鎵為基礎的RF功率元件則限制了轉向3V以下電池的能力。

應用

矽鍺和砷化鎵所適合的最佳應用相當不同，涵蓋了從蜂窩手機到GPS、WLAN、FM、藍牙和WiMAX寬頻的各種技術。一般而言，產品對整合度、控制能力和良好的RF訊號鏈路的要求越高，就越適合選擇矽鍺。而對於某些體積小、功能單一的高頻應用，砷化鎵應該是更好的選擇。

多媒體行動設備中的無線連線性要求小佔位面積、多模/多頻帶性能和低功耗的特性。在消費電子市場，產品功能性整合度越低，就越適合選用以砷化鎵為基礎的技術。例如，適合採用砷化鎵的應用包括手機PA和USB適配器。功能性整合度越高，矽鍺BiCMOS技術在成本和體積方面的優勢就越大，而且性能媲美砷化鎵。這樣，適合於矽鍺的應用就包括無線連接[1]、多媒體、多頻帶應用，例如WLAN連接[2]、無線視頻分配和個人娛樂設備等。

佔位面積要求：整合度與模組化

眾所周知，當一項技術逐漸成熟時都會邁向模組化和更高整合度的方向發展。矽鍺和砷化鎵在整合度和整合規模（即在相同晶片或模組中可以整合的元件數目）方面的表現不盡相同。系統級封裝（system in package；SIP）技術較系統單晶片（system on chip；SoC）方式能為無線連接和行動通訊帶來更大的優勢。SIP或模組化技術讓設計人員能夠整合最好的半導體製程技術，並獲得較佳的性能權衡。例如，由於類比RF需要BiCMOS中的偏置和控制，故SIP可以根據情況在相同封裝中同時採用砷化鎵和矽BiCMOS。

　　　採用砷化鎵來實現功率放大的設計人員現在能夠以很高的整合度整合PA和低噪放大器（LNA）及開關。例如，TriQuint半導體早前推出用於前端的砷化鎵RFIC就具有這種整合度。不過，由於這是在砷化鎵中實現的，所以元件仍然需要本來應在矽晶片中實現的外部濾波和控制電路。

　　　在小尺寸的單顆IC上整合矽鍺雙極型RF性能與矽鍺CMOS偏置及控制功能，正是促進行動消費電子設備中多媒體服務無線連接迅速成長的關鍵力量。譬如，SiGe半導體的SE2593前端模組就整合了多個功率放大器、LNA、功率檢測器、T/R開關、濾波器、雙工器和相關匹配電路，如圖三。

在一個典型的802.11b/g PA中，偏置和控制大約佔據矽鍺BiCMOS解決方案裸片面積的15％。如果採用砷化鎵製程，砷化鎵RF前端裸片附帶的矽CMOS偏置和控制IC大約佔模組中總體半導體裸片的35％（互連墊片佔CMOS裸片面積的8％ 左右。注意：矽鍺BiCMOS解決方案並不需要這種互連）。

《圖三　 SiGe半導體的SE2593前端模組》

製造和經濟規模

矽鍺製程採用標準的CMOS製程，在批量生產方面頗有優勢，故可以降低成本。這種製程目前在全球最大的CMOS廠都可以進行，不但產能高，而且生產週期短。事實上，全球最大的一些晶圓代工廠也開始把其現有的200mm生產線轉換為支援類比/RF BiCMOS。這樣，200mm生產線將可以繼續進行矽鍺模擬/RF元件的大批量生產。

　　　砷化鎵製程一般由專門的製造廠完成，而矽鍺則是不斷增長的RF無晶圓廠半導體模式的一部分[3]。這種無晶圓廠模式使產業逐漸從專門的製造廠過度至晶圓代工模式，這也正是半導體產業各個領域歷來的必經之路，並證實是一種更可確保供貨穩定的商業化模式，因為這樣可以同時獲得多個晶圓代工廠的支援。例如，矽鍺BiCMOS是一種廣為利用的技術，IBM、台積電、意法半導體以及Jazz等全球最大的類比/混合訊號半導體晶圓代工廠都在採用。因此，不同於砷化鎵，它沒有產能限制之虞。

發展藍圖：矽技術和無線技術的未來展望

雖然針對低功耗應用的60GHz工作頻率矽鍺技術的開發不斷，但砷化鎵仍然是5GHz及以上應用的主要技術。矽鍺目前是3GHz以下，尤其是消費電子的主導技術。我們可以預期矽鍺的功率處理極限還將繼續取得突破。

隨著砷化鎵和矽技術中功能性整合度的提高，裸片尺寸可能縮小，更多的焦點將放在降低封裝、裝配和測試成本上。例如，與建基於砷化鎵的RF前端模組相比，採用矽鍺BiCMOS技術的單晶片RF前端IC的尺寸更小，而裝配成本也更低。

大型晶圓代工廠大部分都擁有以BiCMOS為基礎的完善發展藍圖。在BiCMOS技術節點和整合額外標準模組方面，設計人員也有著明確的計畫。就以客戶要求配有序列介面的全新RF前端模組設計為例，若選擇BiCMOS，設計人員可以下載一個預先設計好的單元，把它添加到自己的晶片上。若採用砷化鎵，工程人員就必須立即著手設計電晶體。BiCMOS技術有眾多IP模組可供選擇，故比砷化鎵具有更大的優勢。因此，選擇BiCMOS技術就無需針對定制功能性設計電晶體，工程人員可以直接利用IP模組來實現標準功能，從而把有限的設計資源集中在支援客戶和加快上市速度的工作上。

CMOS的限制正不斷被突破，例如今年初英飛淩推出了一款RF CMOS開關[4]。大多數設計人員都承認矽CMOS的優點，許多也把矽鍺視為轉換至矽技術的過度技術，而最終BiCMOS技術將在單一製造製程中結合了HBT（PA、LNA、RF開關）和CMOS（偏置和控制）的優勢。對設計人員來說，這代表著更佳的設計流程、整合式I/O以及IP模組的使用。

對於客戶，這就意味著可以利用定製的高整合解決方案更迅速地生產 IC樣本，並縮短上市時間。作為一項BiCMOS技術而言，矽鍺是一種已獲驗證、適用於無線應用的半導體材料，目前市場上的產品包括用於WLAN、藍牙、GPS和WiMAX 技術的RF前端產品。另外，它還可用於實現新一代絕緣矽（silicon on insulator；SOI）技術。矽鍺BiCMOS技術是實現小尺寸、低功耗、高性能多模多頻帶RF前端產品的關鍵，在主要的消費電子市場中，這類RF前端產品對於多媒體應用的無線連接整合是非常重要的。

---作者為SiGe半導體技術長及工程副總裁---

參考資料：