回顾20年来III-V族半导体（化合物半导体）的技术进步和性能提升 留言
Advancements in III-V Technology and Performance: A Twenty-Year Retrospective
David Danzilio and Dennis Williams, WIN Semiconductors Corp.
在WIN Semiconductors（稳懋半导体）公司成立20周年之际，我们回顾了III-V族半导体技术的发展历程，了解它是如何满足不断变化的市场需求并实现规模化生产。
在过去20年里，基于III-V族半导体（即化合物半导体）技术的产品已经从面向国防的小范围应用转变为适用于移动设备、无线网络、卫星通信和光电子的赋能技术。所有这些用途的共同点是需要经济可行的解决方案，具有一流的前端性能，包括工作频率、功率、效率和线性度。在所有这些应用中，化合物半导体的性能优势使GaAs成为了连接全球数十亿人的移动通信网络最主要的前端技术。
化合物半导体技术在无线通信行业中被广泛采用，其收入的显著增长很好地说明了这一点（图1）。这一数字由Strategy Analytics公司提供，说明了两个宏观趋势对GaAs器件年收入的阶段性影响。第一个增长阶段，从1990年到1999年，是由美国国防部资助的微波和毫米波集成电路（MIMIC）及微波和模拟前端技术（MAFET）项目推动的，以成熟的GaAs关键技术为主。这些项目使美国GaAs制造商们受益最大，实现了器件收入从1990年的约2.5亿美元增加到1999年的25亿美元。
图1：1990年至2018年期间RF GaAs器件的收入变化。资料来源：Strategy Analytics
第二个增长阶段，从2006年至2017年，是由在全球无线通信系统和移动设备中采用GaAs技术推动的。在这一时期早期，智能手机制造商认识到采用GaAs的功率放大器可提供更高的线性度和传输功率以及电池供电设备所需的低功耗。同时，WIN Semiconductors公司为一系列砷化镓技术提供了专业代工服务。前端GaAs卓越的性能和价值，加上快速的规模化生产，使业界能够支持每年超过10亿部的智能手机出货量，在2017年，RF GaAs收入已经超过80亿美元。
专业晶圆代工模式
在III-V族产品的市场拓展中，一个未被充分认识的因素是专业晶圆代工模式的成功。当WIN公司于1999年成立时，III-V族晶圆铸造业务仅是GaAs组件制造商的一个附属业务。将多余的晶圆产能出售给外部组件公司，提高了晶圆厂的利用率，增加的收入抵消了资本密集型工厂的一些固定成本，这对晶圆厂所有者来说具有很好的经济意义。只要晶圆供应商（集成器件制造商）和晶圆代工客户（另一个集成器件制造商）之间没有直接竞争，这就是一个切实可行的生产模式。
不可避免地，具有类似生产技术的供应商将争夺相同的市场机会。这种竞争通常会导致晶圆厂客户失去业务，因为无晶圆厂的器件供应商在与其晶圆供应商竞争时处于明显的劣势。以销售过剩产能为基础的晶圆铸造业务不可避免地会给晶圆厂客户带来业务风险，且不可持续。如今，几乎所有的集成器件制造商都已经终止了他们的晶圆制造业务；剩下的几家也将业务范围仅限制在“战略客户”身上。
为了支持无线通信行业发展的需要，GaAs器件市场需要从晶圆代工厂获得高性能的化合物半导体技术。WIN公司适时地进入了III-V族晶圆制造市场，以满足这一需求。为了证明晶圆代工模式能在化合物半导体领域取得成功，WIN必须提供具有市场优势的技术：卓越的功放性能、多功能集成和柔性的大规模制造。
移动设备的效率问题
到了2000年代中期，因为3G网络和移动数据服务的广泛部署，手机从商业通信工具转变成了消费品。CDMA网络对线性度提出了新的要求，用硅功率放大器（Si PA）方式很难实现。由于移动设备对电池尺寸的限制，要求前端功率放大器在所需功率水平（典型值为28dBm）下满足线性规范，同时以尽可能高的功率增加效率（PAE）运行。这些具有挑战性的移动功放要求为高性能GaAs HBT技术创造了施展身手的机会。HBT迅速成为了“最有价值”的移动功放技术，因为它提供了高增益（每级10分贝）、高线性度（ACPR≤40分贝）和高PAE（>65%），从而确保了更长的电池寿命。
CDMA移动功放需要同时满足一整套要求，其中主要的考虑是在设定的输出功率下的线性度和效率之间的平衡。图2显示了这种折衷处理，它覆盖了1.95GHz的PAE负载牵引等高线和28dBm输出下HBT2功率单元的线性度，偏置电压设为3.4V。
图2：高PAE下的峰值ACLR时的阻抗。
HBT2在2004年至2008年间是WIN公司移动功放的主力平台。史密斯图显示，峰值ACLR和PAE的负荷相似，峰值ACLR和等高线的交叉点处的最优折衷值对应于50.8%的PAE。
原文始发于微信公众号（actMWJC）
