RF-SOI技術(shù)在5G與毫米波段中的應(yīng)用發(fā)展

一 、5G頻段劃分

5G不僅僅是4G的增量改進(jìn)，它是移動(dòng)通信技術(shù)的下一個(gè)重大演變，其系統(tǒng)性能將提升幾個(gè)數(shù)量級(jí)以上。根據(jù)ITU的定義，5G的峰值速率可達(dá)10~20Gbit/s，用戶的體驗(yàn)速率也能達(dá)到100Mbit/s~1 Gbit/s，延遲更是達(dá)到了毫米級(jí)別。相比之下，5G的數(shù)據(jù)吞吐量將是4G的100倍。

為滿足上述愿景，5G的載波將涵蓋眾多高、低頻段。根據(jù)3GPP R15版本的初步定義，5G主要包括兩大頻譜范圍：1）6GHz以下（Sub-6GHz）頻段，其范圍為450MHz~6GHz，最大信道帶寬100MHz；2）6GHz以上，主要是毫米波頻段，最大信道帶寬400MHz。業(yè)內(nèi)一致認(rèn)為高、低頻譜之間可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，即毫米波頻段連續(xù)大帶寬頻譜，可滿足熱點(diǎn)區(qū)域極高的用戶體驗(yàn)速率和系統(tǒng)容量需求，但是其覆蓋能力較弱，難以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)覆蓋，因此需要與Sub-6GHz的低頻段聯(lián)合組網(wǎng)，以解決網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋的需求。因此，5G時(shí)代需要高、低頻段協(xié)同發(fā)展，Sub-6GHz作為5G基礎(chǔ)頻段，毫米波頻段作為重要的補(bǔ)充頻段。

為了在國(guó)際博弈和競(jìng)爭(zhēng)中獲取有利地位，加快5G網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)和商用的進(jìn)程，各國(guó)紛紛著手為5G謀劃頻率資源（圖1）。根據(jù)GSA 統(tǒng)計(jì)，截至2018年1月，全球共有113個(gè)運(yùn)營(yíng)商在56個(gè)國(guó)家開展或計(jì)劃開展5G技術(shù)試驗(yàn)。

圖1全球5G頻段部署

未來5G時(shí)代將有更多的頻段資源被投入使用，一方面多模多頻使得射頻前端芯片需求增加，直接推動(dòng)射頻前端芯片市場(chǎng)成長(zhǎng)。Navian預(yù)測(cè)，2020年僅移動(dòng)終端中射頻前端芯片的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到212億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)15.4%；另一方面，更高功率輸出、更高工作頻段對(duì)射頻器件性能和可集成能力提出了更高的挑戰(zhàn)。例如對(duì)于Sub-6GHz頻段，由于5G頻段的頻率更高、衰減多，未來可能還需射頻套件的輸出功率從原有的23dBm提升至26dBm，以支持更好的空間覆蓋，這對(duì)射頻器件的設(shè)計(jì)難度也提出新的挑戰(zhàn)。

二、 RF-SOI在Sub-6GHz頻段的應(yīng)用機(jī)遇

射頻SOI（RF-SOI）將延續(xù)其在4G應(yīng)用的技術(shù)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，繼續(xù)成為5G Sub-6GHz頻段手機(jī)射頻開關(guān)的主流解決方案，原因如下：

1）RF-SOI已經(jīng)牢牢把控4G手機(jī)射頻開關(guān)市場(chǎng)。

圖2 RF-SOI市場(chǎng)

相比傳統(tǒng)的砷化鎵（GaAs）和藍(lán)寶石上硅（SOS）技術(shù)，RF-SOI可以同時(shí)提供優(yōu)良的射頻性能和低廉的成本。正是基于以上優(yōu)勢(shì)，作為移動(dòng)智能終端前端模塊中的關(guān)鍵器件之一，射頻開關(guān)芯片從2013年已經(jīng)舍棄原來的GaAs和SOS工藝，轉(zhuǎn)而采用低成本的RF-SOI工藝。RF-SOI技術(shù)目前已經(jīng)成為4G手機(jī)開關(guān)類RF應(yīng)用的主流技術(shù)，其市占率已經(jīng)超過95%（圖2）。

在Sub-6 GHz頻段，5G將會(huì)在現(xiàn)有成熟的4G通信基礎(chǔ)上延拓，因此，盡管復(fù)雜性會(huì)大幅度增加，5G使用的技術(shù)和設(shè)備將與4G類似。經(jīng)過近5年的發(fā)展，基于RF-SOI技術(shù)的射頻開關(guān)市場(chǎng)已經(jīng)被Qorvo、psemi、Skyworks等IDM公司壟斷。這些射頻廠商有充足的技術(shù)積累和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，這為RF-SOI技術(shù)快速切入5G Sub-6GHz頻段應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2）RF-SOI制造業(yè)已經(jīng)開始進(jìn)軍5G。

為了滿足5G超高的下行速率標(biāo)準(zhǔn)，相較于4G中最高支持5個(gè)20MHz的載波聚合，進(jìn)入5G時(shí)代，載波聚合的數(shù)量可能會(huì)高達(dá)32個(gè)或者64個(gè)。這對(duì)手機(jī)射頻開關(guān)的線性度等關(guān)鍵性能指標(biāo)提出更高的要求。近幾年，RF-SOI襯底的主要供應(yīng)商Soitec公司一直致力于開發(fā)更高性能、更大尺寸的RF-SOI襯底，以滿足未來5G的需求：Soitec已經(jīng)開發(fā)出諧波水平（用于表征線性度的參量）低于-100dBm（輸入功率為15dBm時(shí)）超高線性度的RF-SOI襯底材料，滿足未來5G開關(guān)設(shè)計(jì)的需求（圖3）；當(dāng)前，制造4G及以下射頻開關(guān)使用的大都是200mm RF-SOI襯底，不能兼容最新的納米級(jí)CMOS工藝，這影響了經(jīng)濟(jì)效益和器件性能的提高。因此，從2016年開始，Soitec公司就積極將RF-SOI襯底尺寸向主流的300mm升級(jí)。Soitec位于本土的Bernin 2廠已經(jīng)開始大批量供應(yīng)300mm大尺寸的RF-SOI襯底片，以滿足TowerJazz、GlobalFoundries等代工廠更高節(jié)點(diǎn)的制造需求。

于此同時(shí)，在代工端，GlobalFoundries推出了基于130nm節(jié)點(diǎn)的8SW射頻開關(guān)制造工藝，是業(yè)內(nèi)第一個(gè)300mm RF-SOI代工平臺(tái)。8SW開關(guān)采用銅互聯(lián)，降低了開關(guān)速度，提升了功率容量，滿足5G Sub-6GHz的應(yīng)用需求。另外，近期TowerJazz宣布其65nm RF-SOI技術(shù)已在位于日本魚津的300mm工廠實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，這進(jìn)一步增強(qiáng)了RF-SOI的市場(chǎng)潛力。

圖3 RF-SOI的諧波水平（輸入功率為900MHz）

分析可知，RF-SOI在4G手機(jī)射頻開關(guān)應(yīng)用中占有絕對(duì)的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)；而高性能、大尺寸的RF-SOI襯底制備和射頻開關(guān)代工技術(shù)已經(jīng)證明能夠滿足5G Sub-6 GHz應(yīng)用的性能和產(chǎn)能需求，未來RF-SOI無疑將把持5G Sub-6GHz下的手機(jī)射頻開關(guān)市場(chǎng)。

三、 RF-SOI在毫米波段的應(yīng)用機(jī)遇

在毫米波段，由于頻率較高，帶寬較大，現(xiàn)有的RF-SOI襯底可能難以滿足高性能獨(dú)立射頻開關(guān)的設(shè)計(jì)需求，以MACOM和pSemi為代表的射頻廠商轉(zhuǎn)而尋絕緣性更優(yōu)的襯底解決方案，包括SOS和GaAs等（表1）。另外，基于MEMS和相變?cè)淼膭?chuàng)新型射頻開關(guān)也是業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱門技術(shù)，未來也可能顛覆射頻開關(guān)產(chǎn)業(yè)。

盡管如此，由于具備高集成能力優(yōu)勢(shì)，RF-SOI在毫米波段仍具有應(yīng)用潛力。

近日，格芯宣布了基于45nm節(jié)點(diǎn)RF-SOI（45RFSOI）產(chǎn)品的正式投放。45RFSOI產(chǎn)品具有較高的截止頻率（fmax）（圖4）、高線性度、改進(jìn)的噪聲隔離能力，可用于集成5G智能手機(jī)毫米波前端模塊和波束賦形器，為實(shí)現(xiàn)5G射頻芯片的全集成打下了良好的工藝基礎(chǔ)。

表1 MACOM和pSemi推出的應(yīng)用于5G毫米波段的射頻開關(guān)及其特性

圖4 格芯45RFSOI技術(shù)的fmax與其 28nm、40nm和65nm 體硅 CMOS技術(shù)的比較

四、 總結(jié)

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，手機(jī)通信將從2019年正式迎來5G時(shí)代，而5G毫米波技術(shù)將最早從2022年開始逐漸步部署（圖5）?？梢灶A(yù)見，未來五年甚至十年內(nèi)RF-SOI技術(shù)在5G應(yīng)用中的成長(zhǎng)空間巨大。

圖5 基于空口標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)市場(chǎng)預(yù)測(cè)