RF-SOI：毫米波时代射频前端的终极答案？

集微网报道 RF-SOI 技术的 " 出镜率 " 并不算高，但作为一种重要的射频芯片材料技术，它已经无处不在。正如 Soitec 移动通信部门高级业务发展经理 Luis Andia 所指出，" 日常生活中的很多设备上都有 RF- SOI 的身影，还有每天使用的物联网设备上，如智能耳机、手表等，而且不限于蜂窝通信，蓝牙、Wi-Fi 以及超宽带 UWB 背后都有其存在。"
RF-SOI 已经占据了整个 SOI 市场最大的份额，由于各种便携设备对射频前端的需求激增，这个份额还会继续扩大。尤其是在射频器件面临着更宽的频谱和更高的数据传输速率这两大挑战时，拥有优异特性的RF- SOI正在成为厂商实现创新、节能和高效解决方案的重要选择。
起飞和加速：两个重要节点

图 RF-SOI 在智能手机中的变迁（数据来源：Soitec）
据 Luis Andia 介绍，RF-SOI 首次进入智能手机是在 2010 年，当时只有 RF-SOI 可以满足智能手机对高性能开关的需求，因此很快就被应用到射频开关和其他一些射频前端控制器件中。
射频开关是射频系统中的关键器件，对无线信号起到通路选择（路由）的作用。制造射频开关传统的材料是 GaAs，优点是射频性能好、击穿电压高，缺点是成本高、难于集成。与之相对，RF-SOI 可同时提供优良的射频性能和低廉的成本，并且易于集成，因此逐渐取代了 GaAs 和更为昂贵的蓝宝石上硅（SOS）技术。
在 2016 年，随着 LTE 技术演进而来，出现了更多复杂的射频模块，RF-SOI 也随之被应用到天线调谐器以及更多的射频开关当中。而到 2018 年时，用 RF-SOI 技术制作的低噪声放大器（LNA）也开始出现。整个 RF-SOI 产业链开始呈现爆发的趋势。
迦美信芯董事长倪文海认为这得益于 RF-SOI 具有开发和制造上的独特优势，" 除了采用特殊的 SOI 衬底之外，RF-SOI 的工艺和 IC 设计流程，跟一般 Bulk CMOS 工艺线非常相似；由于采用 12 英寸衬底，其成本比传统的 P-Hemt 工艺低很多，而相对于 GaAs, 其集成度则更高。"
倪文海指出 RF-SOI 是设计开关、LNA 的理想工艺线选择，"95% 以上的开关采用了 RF-SOI；LNA 中还有少数厂家采用 SiGe 或 P-Hempt 工艺，所以使用率应该在 85-95% 左右，也属于占据绝对统治地位。"
进入 5G 时代以后，RF-SOI 更加如鱼得水，不但稳固了 5G Sub 6GHz 频段射频开关的主流工艺地位，还将更多射频器件纳入势力范围。据统计，RF-SOI 器件的比例正在不断增加，Sub-6GHz 频段中，RF-SOI 含量比 4G 要高出 60%。
沪硅产业相关人士（下称沪硅产业人士）指出其中原因，5G 技术大幅度增加了射频前端模块的复杂性，相关射频芯片的数量需求也相应上升，从而导致市场对 RF-SOI 的需求大幅增长。
Luis Andia 亦表示："5G 时代，手机需要更复杂和更高集成度的射频模块，除射频开关和 LNA 外，接近 100% 的天线调谐器也在使用 RF-SOI 技术。"
不仅如此，RF-SOI 还开始渗透更多的领域，" 除了手机之外，各类基站、WI-FI 和部分 IoT 终端设备等，都会使用基于 RF-SOI 衬底的芯片。" 沪硅产业人士表示。
应用和技术：双维度进化
向毫米波频段延伸将是 5G 发展不可逆的方向，将给 RF-SOI 提供继续成长的动能。
从特性进行分析，RF-SOI 有着完美适配毫米波通信的几大优势。首先，RF-SOI 工艺支持的工作频率很高，Ft/Fmax 满足毫米波工作频率 3~5 倍的要求；第二，RF-SOI 可以实现器件堆叠（device stacking），可同时提高功率与能效比；第三，RF-SOI 工艺采用的衬底降低了寄生效应，制造出来的射频芯片品质因数更高、损耗更低、噪声系数更好；最后，RF-SOI 具备后栅极偏压可调（Back-gate bias）功能，利用该功能可微调毫米波射频线路以适应使用需求。
沪硅产业人士相信毫米波通信将会给 RF-SOI 提供更多机会，" 未来毫米波方案可能会要求基站密度较大、传输距离相对较短，对传输信号的功率要求相对较低，从而给射频前端芯片进一步集成 PA 等器件带来机会，而这会带来市场对 RF-SOI 衬底材料的需求提升。"
从 RF-SOI 本身而言，不断的进化也使其具备了应对高级别挑战的条件。在 2G 和 3G 时代的射频开关中，广泛使用的 RF-SOI 是 HR-SOI（HR 指高电阻率），这种衬底显著降低了电阻率损耗和串扰。
但是，HR-SOI 缺陷同样明显。当晶体管功率增加时，在埋层氧化物（BOX）和 HR 衬底之间会产生寄生电荷，其电阻率会降低，线性度也会随之降低，最终导致信号失真，这对于 5G 时代的高集成模块绝对是一个重大挑战。要解决这个问题，就需要在 BOX 和 HR 衬底之间加入工程层，其中包含高密度的电活性陷阱。 
这个工程层就是富陷阱层。Luis Andia 指出，通过富陷阱层，能够捕捉氧化埋层以及高电阻操作层中游离的寄生电荷（parasitic charge）。这样保证了衬底有非常高的电阻率，进而带来极高的线性度，不仅仅是为晶体管，也包括其他的无源器件。

图 HR-SOI 与 RFeSI-SOI 的对比（数据来源：Soitec）
加入富陷阱层的 RF-SOI 包括 RFeSI SOI 和 iFEM-SOI（两者区别于富陷阱层的厚度），均可以实现更高的线性度和隔离规范，使设计人员能够满足最严格的射频规范要求。
" 由于富陷阱层能实现非常好的隔离，不管是数字信号还是模拟信号，即便是在这个非常复杂的 5G 毫米波射频前端，也能够实现隔离，从而防止信号串扰。"Luis Andia 表示。

图 在汽车 TCU 中的多射频系统（源自 Soitec）
隔离度增加同时意味着 RF-SOI 进入了汽车电子系统，一个典型实例就是汽车中的 TCU（远程信息处理控制单元），其中采用了多个基于RF-SOI 的射频系统。Luis Andia 表示：" 当代汽车对于连接性的需求和依赖程度更高，不仅要使用蜂窝网络，也非常依赖 V2X的连接，还要使用专属的近距离通信系统，包括 Wi-Fi、蓝牙等，而使用 RF-SOI 就可以让几种不同的射频系统在内部和谐共存。"
衬底和代工：产业链的源泉
根据 Gartner 的数据，2020-2021 年全球 SOI 市场规模略高于 10 亿美元，预计未来 5 年将增加一倍以上。RF-SOI 目前占据了其中的 6 成，随着射频技术的不断进步，未来整体产能与市占率有望继续扩增。
如同水坝之于河流一样，最上游的衬底材料和晶圆代工对产业发展起到了至关重要的作用。当前的 SOI 衬底供应商主要有法国 Soitec、日本信越 ( Shin-Etsu ) 、中国台湾地区的环球晶圆、同为沪硅产业子公司的上海新傲和芬兰 Okmetic，以及日本胜高 ( SUMCO ) 等。其中，Soitec 是绝对的市场龙头，掌握了核心技术和主要市场份额。仅在 RF-SOI 衬底市场，Soitec 公司就拿走了 70% 的全球市场份额，可以供应 8 英寸和 12 英寸的 RF-SOI 衬底，信越公司和环球晶圆则紧随其后，分别位列 RF-SOI 衬底供应商的第二和第三名。
Luis Andia 告诉集微网，Soitec 一直在致力于提升产能，" 我们最近有 2 项新的产能提升计划，一个是位于法国的 200mm 碳化硅工厂，目标是每年生产 50 万片；同时还有位于新加坡的年产 100 万片的 300mm 晶圆厂，可以用于生产不同类型的优化衬底产品，比如 RF-SOI 和 FD-SOI。"
据 Soitec 最新的财报，其 RF-SOI 衬底的增长主要来自于 12 英寸衬底，原因就是新加坡工厂产能持续放量。
国内的 SOI 衬底在多年发展后也初具规模。据沪硅产业人士介绍，新傲科技和 Okmetic 均是国际 8 英寸及以下尺寸 SOI 硅片的主要供应商之一，技术处于全球先进水平。新傲科技提供了国内目前所需的 8 英寸 RF-SOI 衬底，同时还在为国外的主流 Fab 厂批量供货。2022 年，新傲科技已完成 200mm SOI 生产线扩容，产能由 3 万片 / 月提升至 4 万片 / 月，以更好地满足射频等应用市场需求的持续上涨。
沪硅产业人士也指出，国内目前还没有 12 英寸 SOI 衬底的产能，新傲科技的 12 英寸产能建设正在如期推进中，国内市场的需求暂时由国外衬底厂商提供。
在晶圆代工方面，格芯、Tower Jazz（被 Intel 收购）、三星、ST、联电、华虹宏力与中芯国际是主要供应商。据业内人士介绍，格芯与Tower Jazz同属 RF-SOI 代工第一梯队，但Tower Jazz更胜一筹，其位于以色列、美国和日本的晶圆厂均能支持当前主流工艺，总产能更是排名第一。
相对而言，国内的 RF-SOI 器件生产制造能力比国外仍有不足，8 英寸仅有少量产品，且主要用于低端。
好消息是，国内追赶的步伐正在加快。沪硅产业人士表示，" 从 2021 年开始，国内的好几家 12 英寸 Fab 厂已开始布局 12 英寸的 RF-SOI 工艺平台，瞄准 55nm-65nm 节点，旨在赶上国外工艺技术水平，目前各工艺平台均在开发周期中。"
结语
不同通信系统的融合正在加速，促使射频前端的模块化成为趋势，同时也带来两大挑战：一是温度管理，二是干扰。
对于前者，可以用能量密度更高的 GaN 来进化解，后者可以则可以用 RFeSI 和 POI 来应对。所以，RF-SOI 足够优秀却不能包治百病，面对越来越复杂的射频系统，只有多种技术相互补充，才能呈现最完美的解决方案。
这就好比 SOI 同 FinFET 的关系一样，虽然没能成为先进工艺的正选，但正是因为 SOI 的别样发展，才让 More than Moore 不是一句空话。（校对 / 李映）
——转自爱集微APP