März 28, 2025 Von Arvind Narayanan Direktor, RF-Produktlinie In den späten 1980er und frühen 90er Jahren fand an den am wenigsten erwarteten Orten der Welt, in New York und Vermont, eine stille Revolution in der Halbleiterindustrie statt. Man kann nicht einmal dem nerdigsten aller Halbleiter-Enthusiasten einen Vorwurf machen, wenn er nicht aufpasst, denn das Mooresche Gesetz und die Schrumpfung der Silizium (Si)-CMOS-Transistoren beherrschten alle Nachrichten und Schlagzeilen. Eine Gruppe von Ingenieuren ritt still und leise auf der Innovationswelle und setzte Germanium (Ge) in Si-Bipolartransistoren ein, um deutlich verbesserte Bauelementeigenschaften zu erzielen, die eine überragende Leistung von HF- und Hochgeschwindigkeits-Analogtransistoren versprechen. Ihre Pionierarbeit unter Verwendung von SiGe-Basistransistoren mit abgestuftem Ge legte den Grundstein für den kommerziellen Erfolg der SiGe-BiCMOS-Technologien auf 8-Zoll-Wafern für verschiedene RF/Wireless- und mmWave-Kommunikationsanwendungen - die Art von Erfolg und breiter Akzeptanz, die nur von einer Handvoll Halbleitertechnologien wie Bulk-CMOS, Gallium-Arsenid (GaAs) und RF-Silicon-on-Insulator (SOI) übertroffen wird. Während GF in den letzten 15 Jahren an der Spitze der SOI-Technologie-Innovation stand, liegt das Erbe und die Verantwortung für die Weiterentwicklung der SiGe-BiCMOS-Technologie seit über vier Jahrzehnten bei den Technologieentwicklern und Ingenieuren von GF (früher IBM Microelectronics). Verfolgen wir die Geschichte ein wenig weiter zurück, erleben wir sie noch einmal und sehen wir uns an, was als Nächstes in der Geschichte von SiGe ansteht, die die Vorväter zu Recht als "eine Geschichte der Beharrlichkeit" bezeichnet haben [1]. GF SiGe Geschichte: Eine Geschichte, bei der die Summe der Teile größer ist als das Ganze "Ein nicht ganz so bescheidener Anfang" Der erste Teil einer Serie ist in der Regel derjenige, der einen bleibenden Eindruck hinterlässt, und die erste kommerziell erfolgreiche SiGe-Technologie von GF passt in dieses Bild. Vor mehr als einem Jahrzehnt wurde mit der 0,35um SiGe BiCMOS-Technologie [2] namens SiGe5PAe der Grundstein für den Eintritt von SiGe in den Bereich der Wi-Fi-Leistungsverstärker (PA) gelegt, gerade als die Smartphone-Ära ihren Siegeszug antrat. Diese Technologie half den PA-Designern, die beste Kombination aus technischen Leistungsmerkmalen wie hoher Ausgangsleistung, Linearität und Effizienz zu den niedrigsten Kosten zu liefern. Als die Nachfrage nach Wi-Fi stieg und neue Wi-Fi-Standards immer strengere Leistungsanforderungen stellten, hat GF die Basisplattform mit verschiedenen Varianten von SiGe5PAXe und SiGe5PA4 weiter verbessert, einschließlich der hochohmigen Substratoptionen, die vollständige Front-End-ICs mit integrierten HF-Schaltern und rauscharmen Verstärkern (LNA) mit einem PA ermöglichen. Mit jeder Variante wurden die Grenzen der Wi-Fi-PA-Leistung weiter verschoben, indem die PA-Leistung verbessert und gleichzeitig die PA-Zuverlässigkeit und -Robustheit für fortschrittliche WiFi-Standards erhöht wurde. Tabelle 1 zeigt die wichtigsten Merkmale der 350-nm-SiGe-BiCMOS-Technologien von GF, die die verschiedenen Anwendungen und Segmente ermöglichen. Was als bescheidenes Unterfangen begann, hat sich zu einem großen kommerziellen Erfolg entwickelt: Die 0,35um SiGe-Technologien von GF sorgen für nahtlose Wi-Fi-Erlebnisse auf High-End-Smartphones und Tablets. Heute dominieren diese Technologien weiterhin die PAs, die in Wi-Fi-Front-End-Modulen (FEM) in Smartphones eingesetzt werden, und haben auch bei Wireless-Infrastrukturanwendungen wie PA-Pre-Driver an Bedeutung gewonnen. "Ein großer Sprung in den Weltraum und darüber hinaus" Normalerweise sind Fortsetzungen selten besser als die ursprüngliche Geschichte oder Serie. Es gibt jedoch Ausnahmen, wie die 130-nm-SiGe-Technologien von GF, die den Beweis für verschiedene Produkte und Anwendungen im Bereich der drahtlosen und drahtgebundenen Kommunikation liefern [3] [4]. Die Hochfrequenz- und Hochspannungsfähigkeit der SiGe-Heterojunction-Bipolartransistoren (HBTs) in diesen Technologien ermöglicht vielfältige Anwendungen wie mmWave- und SATCOM-PAs und -LNAs, Kfz-Radare, Wireless Backhaul und analoge Hochgeschwindigkeits-Schnittstellentreiber. Insbesondere die SiGe8WL-, SiGe8HP- und SiGe8XP-Technologien von GF leisteten Pionierarbeit bei der Integration von Hochleistungs-NPN-Transistoren mit hochwertigen mmWave- und verteilten Passiven wie Übertragungsleitungen und Mikrostreifen, die die oben genannten Anwendungen ermöglichten. "Wenn die Eroberung des Weltraums nicht genug ist" In 2014, GF’s pioneering SiGe innovation led to the introduction of world’s first 90nm SiGe BiCMOS technology in SiGe9HP [5] which was followed with another industry-leading NPN performance enhancement via SiGe9HP+ [6]. Today, both these technologies combine to form one of the most comprehensive and competitive SiGe technologies available in the market. With advanced CMOS integration and a host of features including low-loss metallization and high-voltage LDMOS, the technology enabled state-of-the-art data center applications, such as transimpedance amplifiers (TIA) and drivers for high-speed optical communications, and other high-performance analog applications such as high-bandwidth analog to digital converters (ADCs) and terahertz imaging and sensing. "Es gibt kein Endspiel für die Revolution" Mit dem Aufkommen der generativen KI fehlt es nicht an Appetit auf höhere Bandbreiten, Datenraten oder größere Reichweiten für die Kommunikation. Nach vier Jahrzehnten konsequenter Innovation sind wir bei GF wieder bereit für die nächste Revolution bei SiGe-Technologien, die den modernen Kommunikationsanforderungen gerecht werden. Kürzlich hat GF den branchenweit leistungsfähigsten SiGe-HBT mit 415/600 GHz ft/fmax auf einer 45-nm-SOI-Plattform [7] veröffentlicht und arbeitet mit frühen Kunden aktiv an der branchenweit ersten komplementären 130-nm-SiGe-BiCMOS-Technologie 130CBIC im Rahmen des Globalshuttle Multi-Project Wafer (MPW)-Programms. Die wichtigsten Merkmale von 130CBIC, die eine breite Palette von Anwendungen ermöglichen, sind in Tabelle 4 aufgeführt. Looking into the future, one vector of growth could be increasing the ft/fmax of HBTs further to satisfy the advanced optical transceivers requirements for data center optical networks and generative AI applications. However, as GenAI seeps into smartphones, there is a logical need to lower power consumption or increase RF performance (lower-noise and higher gain) at the existing power levels for RF Front-end modules or related components. Also, as broadband internet access continues its march to far reaching corners of the globe, SiGe HBT performance and cost can be optimized for consumer satellite ground terminal applications helping connect the next 4 billion users to the internet. Während CMOS mit dem Moore'schen Gesetz an seine Grenzen stößt, kann das wahre Potenzial von SiGe weiter erschlossen und in viel größerem Umfang für Anwendungen genutzt werden, die unnachgiebige HF-/Hochgeschwindigkeitsleistungen und -fähigkeiten erfordern. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie die SiGe-Technologien von GF Ihre HF- und Hochleistungsanwendungen der nächsten Generation unterstützen können, können Sie uns jederzeit über gf.com kontaktieren . Arvind Narayanan ist Direktor des Produktmanagements für die RF-Produktlinie bei GlobalFoundries. Er ist verantwortlich für die strategische Roadmap für SiGe und RF GaN und verwaltet das entsprechende Produktportfolio. Er ist seit über sechs Jahren bei GlobalFoundries in verschiedenen Funktionen mit Kundenkontakt tätig. Referenzen: [1] D. L. Harame, B. S. Meyerson, "The Early History of IBM's SiGe Mixed Signal Technology," in IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, No. 11, November 2001. [2] A. Joseph et al., "A 0.35 gm SiGe BiCMOS Technology for Power Amplifier Applications", IEEE BCTM 2007. [3] B. A. Orner et al., "A 0.13 µm BiCMOS technology featuring a 200/280 GHz (fT/fmax) SiGe HBT," in Proc. IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technol. Meeting,2003, S. 203-206 [4] P. Candra et al., "A 130nm sige bicmos technology for mm-wave applications featuring hbt with fT / fMAX of 260/320 ghz," in IEEE RFIC Symposium, pp. 381-384, 2013 [5] J. J. Pekarik et al., "A 90nm SiGe BiCMOS technology for mm-wave and high-performance analog applications," 2014 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (BCTM), Coronado, CA, USA, 2014, pp. 92-95 [6] U. S. Raghunathan et al., "Performance Improvements of SiGe HBTs in 90nm BiCMOS Process with fT/fmax of 340/410 GHz," 2022 IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS), Phoenix, AZ, USA, 2022, pp. 232-235 [7] V. Jain et al., "415/610GHz fT/fMAX SiGe HBTs Integrated in a 45nm PDSOI BiCMOS process", 2022 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), S. 266-268
