解決方案
今天，手機的功率放大器主要使用砷化鎵（GaAs）技術。幾年前，OEM從GaAs和藍寶石（SoS）遷移到RF開關的RF SOI。GaAs和SoS是SOI的一個變體，它們變得太貴了。
RF SOI不同于完全耗盡型SOI（FD－SOI），適用于數字應用。與FD－SOI類似，RF SOI的襯底中有薄絕緣層，能夠實現高擊穿電壓和低漏電流。
GlobalFoundries RF業務部門主管Peter Rabbeni表示：“移動市場繼續推動RF SOI，因為它在寬頻率范圍內提供低插入損耗、低諧波，以及高線性度，擁有良好的性能和成本效益。”
今天，Qorvo、Peregrine、Skyworks等公司提供基于RF SOI的RF開關。 通常，RF開關制造商利用代工廠來制造這些產品。GlobalFoundries、意法半導體、TowerJazz，以及聯電是RF SOI代工業務的領軍企業。
因此，OEM在組件供應商和代工產品方面有多種選擇。通常，代工廠提供RF SOI工藝，從180nm到45nm的節點，以及不同的硅片尺寸。
決定使用哪個節點取決于具體應用。聯電公司業務管理副總裁Walter Ng表示：“關于RF SOI技術的擴展，一切都是從技術性能、成本和電力的角度來考慮，讓解決方案適用于終端應用。”
即使有選擇，RF開關制造商也面臨一些挑戰。RF開關本身包含場效應晶體管（FET）。與大多數器件一樣，FET受到無用的溝道電阻和電容的影響。
在RF開關中，FET被堆疊起來。通常，今天的RF開關中堆疊了10－14個FET。 據專家介紹，隨著堆疊FET數量的增加，器件可能會遭遇插入損耗和電阻的影響。
另一個問題是電容。Skyworks在2014年的一篇題為《RF應用中SOI的最新進展和未來趨勢》的文章中寫道，RF開關中，至少30％以上的無用的電容歸因于器件中的互連。互連是金屬層或微型布線方案，包括基于RF SOI的開關。
通常，在4G手機中，RF開關的主流流程是200mm晶圓廠的180nm和130nm節點。大多數互連層基于鋁，但不是全部。鋁互連在IC行業使用多年，價格便宜，但電容較大。
因此，銅被用于RF器件中的某些互連層。銅是更好的導體，電阻小于鋁。Ng表示：“用于130nm RF CMOS工藝產品的傳統金屬堆疊包括低成本的鋁互連層以及高性能銅互連層二者的組合。這是平衡成本和性能的最佳解決方案。RF SOI解決方案通常是一定數量的鋁金屬層以及一個或多個銅金屬層。”
通常，在頂層上使用銅作為超厚金屬選項，可用于改善無源器件性能。Ng說：“厚的頂層金屬，最好是銅，可以通過最小化電阻損耗來提高性能。”
最近，RF器件制造商已經從200mm遷移到300mm晶圓廠，其工藝從130nm提升到45nm。通常，300mm代工廠僅使用銅互連處理晶圓。
通過僅使用銅互連，開關制造商可以降低電容。但是，300mm會提高晶圓成本，從而在市場上產生一些沖突。一方面，OEM廠商在成本敏感的手機市場需要較低的價格。另一方面，器件制造商和代工廠又希望保持利潤。
Ng說：“如今，只有極少的RF SOI正在300mm生產。原因有很多，包括300mm RF SOI襯底的成本和可用性，支持后硅處理的基礎設施，以及其他因素。然而，我們預計在未來幾年內，這些挑戰將會在很大程度上得到解決，然后大部分大批量的RF SOI應用將會遷移到300mm。”
在此之前，行業可能會面臨300mm的供需問題。Ng說：“我們認為，市場會繼續供不應求，直到更多的生產遷移到300mm。那么，產能上線速度有多快，以及當時的需求如何，二者的匹配會是一個問題。”
通常，今天的RF SOI工藝適用于4G手機。GlobalFoundries希望在5G戰場中獲得跳躍，最近為5G應用推出了45nm RF SOI工藝。該工藝利用高電阻率trap－rich的SOI襯底。
5G是4G的后續。今天的LTE網絡從700 MHz到3．5 GHz。相比之下，5G不僅與LTE共存，而且還將在30 GHz至300 GHz之間的毫米波段內運行。5G將使數據傳輸速率達到10Gbps以上，是LTE的吞吐量的100倍。但預計在2020年以前，5G的大規模部署不會發生。
無論如何，5G都將需要一個新的組件類。GlobalFoundries的Rabbeni說：“（45nm RF SOI）主要集中在5G毫米波前端，它集成了PA，LNA，開關，移相器，為5G系統創建了一個集成的毫米波可控波束形成器。”
對于5G，還有其他解決方案。RF MEMS是一種可能性。在另一個可能的解決方案中，TowerJazz和加利福尼亞大學圣地亞哥分校最近展示了一個12Gbps的5G相控陣芯片組。該芯片組采用了TowerJazz的SiGe BiCMOS技術。
誰會是贏家？時間會告訴我們答案。Strategy Analytics的Taylor說“目前尚不清楚RF MEMS是否具有5G的優勢。對于SOI來說，單片集成可能會贏得至少6－GHz以上的頻段。”
什么是RF MEMS？
基于RF SOI的開關將繼續占據主導地位，但新技術——RF MEMS也有存在的空間。Cavendish Kinetics的Dal Santo說：“SOI隨著時間的推移已經取得了不可思議的進步。電阻下降，線性度變得更好。但是SOI開關只是一個晶體管開啟或關閉。它導通時的表現不是很好，關閉時也不是很好。”
RF MEMS多年來一直在前進。今天，Cavendish、Menlo Micro、以及WiSpry（AAC Technologies）正在為移動應用開發RF MEMS。
RF MEMS與基于傳感器的MEMS（例如陀螺儀和加速度計）不同。傳感器MEMS是將機械能轉換成電信號的傳感器。相比之下，RF MEMS則是傳導信號。
最初，Cavendish等人瞄準了在天線調諧器市場采用RF MEMS技術，采用基于RF SOI的開關和其他技術。
圖3：帶開關的天線調諧器 （資料來源：Cavendish Kinetics）
Dal Santo說：“如果天線是固定的，則不可能使它們支持所需要的頻段范圍。所以他們需要調整。現在，主要的方法是切換，或是切換不同的固定電容器，或是切換不同的固定電感器。問題在于天線是高品質因數（Q）器件。你必須小心，不要給它們接負載，否則會看到輻射性能的損失。”
相比之下，Cavendish的調諧器有32個不同的電容范圍。Dal Santo說：“它們是完全可編程的，具有非常高的品質因數（Q）。所以它們的損失非常低。您可以使用這些來把天線調整到您需要支持的頻率范圍。”
展望未來，Cavendish計劃在更大的RF開關領域采用基于RF SOI的器件。Dal Santo說：“如果用一個真正的開關來代替，那必然是MEMS開關，你可以看到接收機或發射機的插入損耗的累積效益。”
但RF MEMS器件是否會取代基于RF SOI的器件？一家名為TowerJazz的公司可以提供一些見解。TowerJazz提供傳統的RF SOI工藝，也是Cavendish的RF MEMS器件的代工廠商。
TowerJazz 公司RF與高性能模擬業務部門高級副總裁兼總經理Marco Racanelli說：“RF MEMS和RF SOI在競爭相同的應用，二者可能會有一些小的重疊。一般來說，二者將會相互補充。在最苛刻的應用中獲勝的是RF MEMS，RF SOI贏得其余的應用。”
Racanelli說：“RF SOI會繼續發展，因此對于RF開關應用和部分低噪聲放大器市場而言，RF SOI仍然是可行的。然而，有一些應用，例如用于低噪聲放大器的SiGe和用于開關的MEMS替代技術可以提供更好的線性度和更低的損耗。而RF SOI將繼續服務于不斷擴大的市場，其他技術也將有所發展。”
RF MEMS正在天線調諧器市場上占據一席之地。時間會說明該技術是否可以破局開關市場。Racanelli說：“未來，RF MEMS可以通過提供比內置RF SOI線性度更好和損耗更小的開關來提高手機中的數據速率。這可以理解，在RF MEMS中，金屬板可以在“導通”狀態下直接接觸并形成一個金屬的、低損耗的線性連接。更高的線性度允許更寬的頻帶和更復雜的調制方案，這可以提高手機中的數據速率。”