20世紀(jì)80年代末至90年代初，在紐約和佛蒙特州這些看似與半導(dǎo)體革命毫無關(guān)聯(lián)的地方，一場悄無聲息的半導(dǎo)體變革正悄然興起。即便是最癡迷于半導(dǎo)體的發(fā)燒友，也可能未曾留意到這場變革，畢竟當(dāng)時(shí)摩爾定律以及硅（Si）CMOS晶體管的尺寸縮小占據(jù)了所有新聞?lì)^條。

彼時(shí)，一群工程師默默地投身于創(chuàng)新浪潮，將鍺（Ge）引入硅雙極結(jié)型晶體管中，極大地改善了器件特性，為射頻（RF）和高速模擬晶體管實(shí)現(xiàn)卓越性能帶來了希望。他們采用漸變鍺鍺硅（SiGe）基區(qū)晶體管的開創(chuàng)性工作，為8英寸晶圓上鍺硅BiCMOS技術(shù)在各類射頻/無線及毫米波通信應(yīng)用領(lǐng)域的商業(yè)成功奠定了基礎(chǔ)。這種成功和廣泛應(yīng)用，只有少數(shù)半導(dǎo)體技術(shù)能夠與之媲美，如體硅CMOS、砷化鎵（GaAs）和射頻絕緣體上硅（RF SOI）。

過去15年里，格羅方德在SOI技術(shù)創(chuàng)新方面一直處于前沿地位。然而，在鍺硅BiCMOS技術(shù)進(jìn)步的征程中，格羅方德（前身為IBM微電子）的技術(shù)開發(fā)人員和工程師們肩負(fù)重任，傳承使命，至今已逾四十載。讓我們一同追溯鍺硅的歷史，重溫這段先輩們稱之為“堅(jiān)持不懈的故事”，并展望其未來發(fā)展。

格羅方德鍺硅技術(shù)史：

部分之和大于整體

“并非平凡的開端”

任何系列的第一部分往往都會(huì)給人留下深刻印象，格羅方德首款成功商業(yè)化的鍺硅技術(shù)便是如此。十多年前，0.35微米鍺硅BiCMOS技術(shù)[2]——SiGe5PAe的問世，為鍺硅進(jìn)入Wi-Fi功率放大器（PA）領(lǐng)域鋪平了道路，當(dāng)時(shí)智能手機(jī)時(shí)代正開啟其全球統(tǒng)治的征程。這項(xiàng)技術(shù)助力功率放大器設(shè)計(jì)師以最低成本實(shí)現(xiàn)了最佳的技術(shù)性能指標(biāo)（FoM）組合，如高輸出功率、高線性度和高效率。

隨著Wi-Fi需求的增長以及新Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)對性能提出了更為嚴(yán)苛的要求，格羅方德在基礎(chǔ)平臺(tái)上持續(xù)改進(jìn)，推出了多種版本的SiGe5PAXe和SiGe5PA4，包括高電阻率襯底選項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)了集成射頻開關(guān)和低噪聲放大器（LNA）與功率放大器的全前端集成電路（IC）。每一版本都通過提升功率放大器性能，同時(shí)增強(qiáng)其在先進(jìn)Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)下的可靠性和堅(jiān)固性，進(jìn)一步拓展了Wi-Fi功率放大器的性能邊界。下表1展示了格羅方德350納米鍺硅BiCMOS技術(shù)助力不同應(yīng)用和領(lǐng)域的關(guān)鍵特性。這項(xiàng)起初看似平凡的努力，最終取得了巨大的商業(yè)成功，格羅方德的0.35微米鍺硅技術(shù)為高端智能手機(jī)和平板電腦帶來了無縫的Wi-Fi體驗(yàn)。如今，這些技術(shù)依然在智能手機(jī)Wi-Fi前端模塊（FEM）的功率放大器領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，并在無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用（如功率放大器預(yù)驅(qū)動(dòng)器）中逐漸嶄露頭角。

“向太空及更廣闊領(lǐng)域的巨大飛躍”

通常，續(xù)作超越原作的案例雖罕見，但格羅方德的130納米鍺硅技術(shù)卻是個(gè)例外，它們在無線和有線通信領(lǐng)域，推動(dòng)了眾多產(chǎn)品和應(yīng)用的誕生[3][4]。這些技術(shù)中的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）的高頻和高電壓處理能力支持多種應(yīng)用，例如毫米波和衛(wèi)星通信功率放大器與低噪聲放大器、汽車?yán)走_(dá)、無線回傳以及高速模擬接口驅(qū)動(dòng)器。具體而言，格羅方德的SiGe8WL、SiGe8HP和SiGe8XP技術(shù)率先實(shí)現(xiàn)了高性能NPN晶體管與高質(zhì)量毫米波和分布式無源元件（如傳輸線和微帶線）的集成，從而推動(dòng)了上述應(yīng)用的發(fā)展。

“不止于征服太空”

2014年，格羅方德的開創(chuàng)性鍺硅創(chuàng)新成果——全球首款90納米鍺硅 BiCMOS技術(shù)SiGe9HP[5]問世，隨后又通過SiGe9HP+[6]進(jìn)一步提升了NPN性能，再次引領(lǐng)行業(yè)。如今，這兩項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成了市場上最全面、最具競爭力的鍺硅技術(shù)之一。憑借先進(jìn)的CMOS集成以及一系列特性（包括低損耗金屬化和高壓LDMOS），該技術(shù)助力數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)了最前沿的應(yīng)用，如跨阻放大器（TIA）和高速光通信驅(qū)動(dòng)器，以及其他高性能模擬應(yīng)用，如高帶寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和太赫茲成像與傳感。

“變革永無止境”

隨著生成式人工智能的興起，通信領(lǐng)域?qū)Ω邘挕?shù)據(jù)速率和更長傳輸距離的需求愈發(fā)迫切。經(jīng)過四十年的持續(xù)創(chuàng)新，格羅方德再次準(zhǔn)備好迎接鍺硅技術(shù)的下一場革命，以滿足現(xiàn)代通信的需求。格羅方德此前發(fā)布了行業(yè)性能最高的鍺硅HBT，在45納米SOI平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了415/600 GHz的ft/fmax[7]，并正通過全球快車多項(xiàng)目晶圓（MPW）計(jì)劃中的130CBIC項(xiàng)目，積極與早期客戶合作開發(fā)行業(yè)首款高性能互補(bǔ)130納米鍺硅BiCMOS技術(shù)。表4展示了130CBIC支持廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵特性。

展望未來，一個(gè)發(fā)展方向可能是進(jìn)一步提高HBT的ft/fmax，以滿足數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)絡(luò)和生成式人工智能應(yīng)用對先進(jìn)光收發(fā)器的要求。然而，隨著生成式人工智能滲透到智能手機(jī)領(lǐng)域，在現(xiàn)有功耗水平下降低射頻前端模塊或相關(guān)組件的功耗，或提升射頻性能（降低噪聲、提高增益）也顯得至關(guān)重要。此外，隨著寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入不斷向全球偏遠(yuǎn)角落延伸，鍺硅HBT的性能和成本可針對消費(fèi)級(jí)衛(wèi)星地面終端應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，助力將下一個(gè)40億用戶接入互聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)CMOS在摩爾定律面前遭遇瓶頸時(shí)，鍺硅的真正潛力將得到進(jìn)一步釋放，并在對射頻/高速性能和能力要求嚴(yán)苛的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更大的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

當(dāng)CMOS在摩爾定律面前遭遇瓶頸時(shí)，硅鍺的真正潛力將得到進(jìn)一步釋放，并在對射頻/高速性能和能力要求嚴(yán)苛的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更大的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

Arvind Narayanan

格羅方德射頻

產(chǎn)品線總監(jiān)

Arvind Narayanan負(fù)責(zé)制定格羅方德鍺硅（SiGe）和射頻氮化鎵（RF GaN）技術(shù)戰(zhàn)略線圖及產(chǎn)品組合管理。他加入格羅方德已逾六年，深耕客戶導(dǎo)向型角色。