从射频到毫米波前端的SOI优化衬底 留言
Engineering SOI Substrates for RF to mmWave Front-Ends
F. Allibert, L. Andia, Y. Morandini and C. Veytizou, Soitec, Bernin, France; M. Rack, L. Nyssens and J. P. Raskin, ICTEAM, Université Catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Belgium; and E. Augendre, CEA-LETI and Université Alpes Grenoble, Grenoble, France
5G和Wi-Fi 6（E）技术正在开创一种全新的用户体验，但这需要有空前巨大的网络容量，以及创纪录的低延迟来提供所需要的数据吞吐量。为了满足这些要求，从几百兆赫兹到毫米波的频谱资源已经分配给了这些标准使用。通过采用创纪录的、高度复杂的波形，加强了射频集成电路的线性技术规范，以尽量减少信号失真，达到在这些频段提供数个Gbps的数据传输速率。
在过去的二十年里，SOI（silicon on insulator，绝缘体上硅）已经被证明是高线性度、高效率、高集成无线系统半导体解决方案的首选。同时，全球接近无限的CMOS产能和已得到证明的RF-SOI衬底的大规模可制造性，为4G/LTE和Wi-Fi提供了经济高效的解决方案。如今，5G和Wi-Fi 6（E）正从它自身所展现的能力中获益。本文回顾了SOI优化衬底不断创新的过程，以应对当今和未来无线系统的挑战。
从HR-SOI到TR-SOI
与体硅技术相比，SOI技术因其在射频应用方面的主要优势导致在过去的十年中被广泛应用于智能手机的前端模块，尤其以射频开关为龙头。SOI晶圆由一层很薄的硅层组成，厚度通常为50-150nm，可在此晶片上创建有源器件，并通过埋氧化物（BOX）层与底层（或支撑）晶圆完全隔离。
这种结构有很大的好处。首先，浅槽隔离一直到埋氧化物层，有效地消除了器件之间的任何传导路径。这反过来又使晶体管可以堆叠到使用结隔离无法达到的水平。它还极大地提高了电路模块之间的隔离度。第二个好处是能够专门为通信应用设计支撑晶圆，而不会降低有源器件层的质量，从而实现用高电阻率（HR）硅作为底层晶圆的材料。降低衬底层中自由载流子的浓度可以减少传播信号的衰减或插入损耗（IL），从而获得更好的功率传输效率。它还降低了在载波信号的谐波频率下产生的寄生信号的功率，即谐波失真（HD）或当涉及多个信号时的互调失真（IMD）。
尽管HR衬底非常好，但HR-SOI晶圆固有的电容式结构可能导致在BOX下方形成一个低电阻率、自由电荷积累或反转层，被称为寄生表面传导（PSC）层1。这个问题可以通过设在BOX和HR衬底之间的工程层来规避，后者包含高密度的电活性陷阱2,3。这个富陷阱（TR，trap-rich）层具有三个改变游戏规则的效果，分别是陷阱诱导的费米能级钉扎效应、基片自由载流子的俘获和迁移率的降低。它可以实现更高水平的信号保真度，同时隔离度也得到提高，因为BOX下面的导电耦合被抑制，只留下电容耦合。由于费米能级被固定在半导体间隙的中间，使得衬底的电阻和电容呈线性化，并大大降低了HD，从而抑制了BOX下载流子浓度的波动。最终结果是恒定的HR进一步降低了IL。
下一节将讨论Soitec公司的TR SOI系列衬底，并把它在不同无线应用中的射频性能与HR-SOI进行比较（表1）。除非另有说明，本文中所示的测量值是指在2.1 mm长的共面波导（CPW）上取得的，基本频率为900 MHz，直流偏压是指施加在中心线和地线之间的偏压，后者连接到衬底背面。第二个谐波功率电平是指在0 V的默认直流偏压下15 dBm的基频输出功率。
射频前端RF-SOI衬底
根据射频前端（RFFE）中的预期功能，不同的射频电路对RF-SOI衬底提出了不同的要求，如大信号（线性度、功率处理）或小信号以及抗干扰能力（串扰、数字噪声）等4–6。鉴于射频前端的复杂性不断增加，高集成度数字逻辑电路、存储器和射频功能也必须认真处理。最终的系统应用，如基础设施或移动用户设备（UE）也需要设定包含坚固性和稳定性在内的技术规范。
有源射频电路因其固有的非线性特性，大信号的开关、整形和放大会导致信号失真。如前所述，Soitec公司的RFeSI™衬底可通过减少寄生效应来实现失真的最小化。图1显示了在三个RFeSI TR SOI衬底上产生的谐波和互调，它保证了二次谐波功率低于-100dBm（RFeSI100）、-90dBm（RFeSI90）和-80dBm（RFeSI80）。IMD是分别在900和955 MHz频率和两路20dBm信号下测得的。
图1：RF-SOI衬底的二阶和三阶谐波（a）及在845MHz的IMD3（b）
射频前端（RFFE）的数字和控制信号的复杂度一直在不断增加。例如，控制现代智能手机中的无线电信号就需要几个从26MHz到52MHz的MIPI RFFESM总线，包括5G、Wi-Fi、蓝牙、GNSS和NFC。即使如此复杂，控制和数字信号也不能干扰射频信号，反之亦然。良好的射频衬底应有助于防止不必要的信号从系统的一部分传导到另一部分，无论是控制、数字还是射频信号，因为它们可能会干扰系统运行。在设计射频和毫米波前端时，串扰和数字噪声的抗干扰性能非常重要，并且设计方案需要从衬底就开始考虑（图2）5
图2：RF-SOI衬底的串扰消除
智能手机天线的阻抗和孔径因外部因素（如用户手所处的位置）的变化而变化，这已得到广泛的研究，结果是在RFFE中采用天线调谐器（AT）来动态补偿这种变化。这些天线调谐器要尽可能靠近天线，它是第一个必须承受大电压驻波比的射频前端元件。根据设计，天线调谐器可能要求RF-SOI衬底的BOX层承受超过100V的电压。而一些RFeSI衬底通过适当调整BOX层的厚度可提供大于150V的软击穿（表1）
通过对射频、毫米波和集成能力的比较，图1和图2显示了TR SOI相对于HR-SOI的明显优势。TR RF-SOI极大地促进了CMOS在射频和毫米波前端的成功应用。随着射频前端技术的发展，TR-SOI衬底也必须不断发展以满足更严格的要求。更高频率的测量、衬底的造型和材料的发展都是为了适应未来的应用。
原文始发于微信公众号（actMWJC）
