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 nutzte still und leise die Innovationswelle und integrierte Germanium (Ge) in bipolare Si-Transistoren, um die Bauteileigenschaften erheblich zu verbessern – was die Aussicht auf eine überragende Leistung bei HF- und Hochgeschwindigkeits-Analogtransistoren eröffnete. Ihre Pionierarbeit mit SiGe abgestuftem Germanium (Ge) legte den Grundstein für den kommerziellen Erfolg von SiGe auf 8-Zoll-Wafern für verschiedene HF-/Wireless- und mmWave-Kommunikationsanwendungen – eine Art von Erfolg und breiter Akzeptanz, die nur von einer Handvoll Halbleitertechnologien wie Bulk-CMOS, Galliumarsenid (GaAs) und HF-Silicon-on-Insulator (SOI) erreicht wird.

Während GF in den letzten 15 Jahren an der Spitze der SOI-Technologieinnovation stand, liegt das Erbe und die Verantwortung, als Vorreiter für den Fortschritt SiGe zu fungieren, seit über vier Jahrzehnten bei den Technologieentwicklern und Ingenieuren von GF (früher IBM Microelectronics). Lassen Sie uns die Geschichte noch ein wenig weiter zurückverfolgen, sie noch einmal Revue passieren lassen und sehen, wie es in der Geschichte von SiGe weitergeht, die die Vorfahren zu Recht als „eine Geschichte der Beharrlichkeit“ bezeichneten [1].

SiGe von GF SiGe : Eine Geschichte, in der die Summe der Teile größer ist als das Ganze

„Ein nicht ganz so bescheidener Anfang“

Der erste Teil einer Serie hinterlässt meist den nachhaltigsten Eindruck, und SiGe erste kommerziell erfolgreiche SiGe von GF erfüllt diese Erwartung voll und ganz. Vor mehr als einem Jahrzehnt ebnete die 0, SiGe [2] namens SiGe5PAe den Weg für den Einstieg von SiGe den Bereich power (PA), gerade als die Smartphone-Ära ihre weltweite Vorherrschaft antrat. Diese Technologie half PA-Designern dabei, die beste Kombination aus technischen Leistungsmerkmalen (FoM) wie hoher power, Linearität und Effizienz bei geringsten Kosten zu erzielen.

Angesichts der steigenden Nachfrage nach WLAN und neuer WLAN-Standards, die immer strengere Leistungsanforderungen mit sich brachten, entwickelte GF die Basisplattform kontinuierlich weiter und brachte verschiedene Varianten von SiGe5PAXe und SiGe5PA4 auf den Markt, darunter auch Optionen mit hochohmigen Substraten, die die Entwicklung kompletter Front-End-ICs ermöglichten, bei denen HF-Schalter und rauscharme Verstärker (LNA) mit einem Leistungsverstärker (PA) integriert waren. Jede Variante erweiterte die Grenzen der WLAN-PA-Leistung weiter, indem sie eine verbesserte PA-Leistung bot und gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Robustheit der PAs für fortschrittliche WLAN-Standards erhöhte. Tabelle 1 zeigt die wichtigsten Merkmale der SiGe von GF, die die verschiedenen Anwendungen und Segmente ermöglichen.

Was als bescheidenes Unterfangen begann, entwickelte sich zu einem enormen kommerziellen Erfolg: SiGe 0, SiGe von GF sorgen für ein nahtloses WLAN-Erlebnis auf High-End-Smartphones und -Tablets. Heute dominieren diese Technologien weiterhin die Leistungsverstärker (PAs) in WLAN-Frontend-Modulen (FEM) von Smartphones und haben auch in Anwendungen der drahtlosen Infrastruktur, wie beispielsweise PA-Vortreibern, an Bedeutung gewonnen.

„Ein großer Schritt im Weltraum und darüber hinaus“

In der Regel sind Fortsetzungen selten besser als die ursprüngliche Geschichte oder Serie. Es gibt jedoch Ausnahmen, wie beispielsweise SiGe von GF, die als Beleg dafür dienen, dass sie zahlreiche Produkte und Anwendungen sowohl im Bereich der drahtlosen als auch der drahtgebundenen Kommunikation ermöglichen [3] [4]. Die Fähigkeit von SiGe (HBTs) in diesen Technologien, hohe Frequenzen und Spannungen zu verarbeiten, ermöglicht vielfältige Anwendungen wie mmWave- und SATCOM-Leistungsverstärker (PAs) und Low-Noise-Verstärker (LNAs), Automobilradare, drahtlose Backhaul-Verbindungen und Treiber für analoge Hochgeschwindigkeitsschnittstellen. 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 ausreicht“

Im Jahr 2014 führte SiGe bahnbrechende SiGe von GF zur Einführung der weltweit ersten SiGe in SiGe9HP [5], auf die eine weitere branchenführende Leistungssteigerung bei NPN-Transistoren durch SiGe9HP+ [6] folgte. Heute bilden diese beiden Technologien zusammen eine der umfassendsten und wettbewerbsfähigsten SiGe , die auf dem Markt erhältlich sind. Mit fortschrittlicher CMOS-Integration und einer Vielzahl von Merkmalen, darunter verlustarme Metallisierung und Hochspannungs-LDMOS, ermöglichte die Technologie modernste Rechenzentrumsanwendungen wie Transimpedanzverstärker (TIA) und Treiber für die optische Hochgeschwindigkeitskommunikation sowie andere hochleistungsfähige analoge Anwendungen wie Analog-Digital-Wandler (ADCs) mit hoher Bandbreite und Terahertz-Bildgebung und -Sensorik.

„Eine Revolution hat kein Endziel“

Mit dem Aufkommen generativer KI besteht ein großer Bedarf an höherer Bandbreite, Datenraten und größerer Reichweite für die Kommunikation. Bei GF sind wir nach vier Jahrzehnten konsequenter Innovation erneut bereit für die nächste Revolution im Bereich SiGe , die den modernen Kommunikationsanforderungen gerecht werden. Vor kurzem hat GF den branchenweit leistungsstärksten SiGe mit 415/600 GHz ft/fmax auf einer 45-nm-SOI-Plattform [7] vorgestellt und arbeitet im Rahmen des Globalshuttle Multi-Project-Wafer-Programms (MPW) aktiv mit ersten Kunden an SiGe branchenweit ersten hochleistungsfähigen komplementären SiGe in 130CBIC. Die wichtigsten Merkmale von 130CBIC, die eine breite Palette von Anwendungen ermöglichen, sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Mit Blick auf die Zukunft könnte ein Wachstumsfaktor darin bestehen, die ft/fmax-Werte von HBTs weiter zu steigern, um die Anforderungen fortschrittlicher optischer Transceiver für optische Netzwerke in Rechenzentren und generative KI-Anwendungen zu erfüllen. Da generative KI jedoch zunehmend in Smartphones Einzug hält, ergibt sich zwangsläufig die Notwendigkeit, power zu senken oder die HF-Leistung (geringeres Rauschen und höhere Verstärkung) bei den bestehenden power für HF-Frontend-Module oder verwandte Komponenten zu verbessern. Da der Breitband-Internetzugang zudem immer weiter in entlegene Winkel der Welt vordringt, lassen sich Leistung und Kosten SiGe für Anwendungen in Satelliten-Bodenstationen für Endverbraucher optimieren, um die nächsten 4 Milliarden Nutzer mit dem Internet zu verbinden.

Während die CMOS-Technologie an die Grenzen des Moore’schen Gesetzes stößt, SiGe sich das wahre Potenzial von SiGe weiter erschließen und in Form von deutlich größeren Skaleneffekten für Anwendungen nutzen, die kompromisslose HF- und Hochgeschwindigkeitsleistung sowie entsprechende Fähigkeiten erfordern.

Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie SiGe von GF Ihre HF- und Hochleistungsanwendungen der nächsten Generation unterstützen können, können Sie uns jederzeit über gf.com kontaktieren .

Arvind Narayanan ist Leiter des Produktmanagements für die RF-Produktlinie bei GlobalFoundries. Er ist verantwortlich für die RF GaN Roadmap SiGe RF GaN und leitet das entsprechende Produktportfolio. Er ist seit über sechs Jahren bei GlobalFoundries tätig und hatte dort verschiedene kundenorientierte Positionen inne.

Quellenangaben:

[1] D. L. Harame, B. S. Meyerson, „The Early History of IBM’s SiGe Signal Technology“, in: IEEE Transactions on Electron Devices, Band 48, Nr. 11, November 2001.

[2] A. Joseph et al., „Eine 0,35-g SiGe -Technologie für Power “, IEEE BCTM 2007.

[3] B. A. Orner et al., „Eine 0,13-µm-BiCMOS-Technologie mit einem SiGe mit 200/280 GHz (fT/fmax)“, in: Proc. IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting, 2003, S. 203–206

[4] P. Candra et al., „Eine 130 sige für Millimeterwellenanwendungen mit HBT-Transistoren mit fT/fMAX von 260/320 GHz“, in: IEEE RFIC Symposium, S. 381–384, 2013

[5] J. J. Pekarik et al., „Eine SiGe für Millimeterwellen- und Hochleistungs-Analoganwendungen“, 2014 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (BCTM), Coronado, CA, USA, 2014, S. 92–95

[6] U. S. Raghunathan et al., „Leistungssteigerungen bei SiGe im 90-nm-BiCMOS-Prozess mit fT/fmax von 340/410 GHz“, 2022 IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS), Phoenix, AZ, USA, 2022, S. 232–235

[7] V. Jain et al., SiGe 15/610-GHz-fT/fMAX SiGe , integriert in einem 45-nm-PDSOI-BiCMOS-Prozess“, 2022 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), S. 266–268