20 世纪 80 年代末和 90 年代初，在纽约和佛蒙特这两个地球上最不被人看好的地方，一场悄无声息的半导体革命正在形成。由于摩尔定律和硅（Si）CMOS 晶体管的缩小抢占了所有新闻和头条，即使是最书呆子的半导体发烧友也不会不关注。
一群工程师悄然乘上了创新的浪潮，将锗（Ge）引入硅双极型晶体管，从而大幅提升了器件性能，为实现卓越的射频（RF）和高速模拟晶体管性能奠定了基础。 他们利用梯度锗（Graded-Ge）SiGe 晶体管开展的开创性工作，SiGe 在8英寸晶圆上的商业成功奠定了基础，该技术广泛应用于各类射频/无线及毫米波通信领域——这种成功与广泛应用的程度，仅与体CMOS、砷化镓（GaAs）和射频绝缘体上硅（SOI）等少数半导体技术相媲美。
尽管格芯（GF）在过去15年中一直处于SOI技术创新的前沿，但SiGe 火炬手，这一传统与责任已由格芯（前身为IBM微电子）的技术开发人员和工程师肩负了四十余年。 让我们进一步追溯历史，重温并展望SiGe的发展历程——正如先驱者们所言，这确实是一段“坚持不懈的故事”[1]。
GFSiGe ：一个“部分之和大于整体”的故事
“并非那么谦逊的开端”
任何系列的第一部分通常都会给人留下深刻印象，而GF首款取得商业SiGe 正是如此。 十多年前，名为SiGe5PAe的0.SiGe 技术[2]，恰逢智能手机时代开始席卷全球之际，SiGe power （PA）SiGe 奠定了基础。该技术帮助PA设计人员以最低成本实现了高输出power、线性度和效率等技术性能指标（FoM）的最佳组合。
随着对Wi-Fi需求的增长以及新Wi-Fi标准对性能要求的不断提升，GF持续对基础平台进行优化，推出了多种版本的SiGe5PAXe和SiGe5PA4，其中包括高电阻率衬底选项，该选项支持集成射频开关和低噪声放大器（LNA）与功率放大器（PA）的全前端集成电路。 每种产品变体都通过提升功率放大器性能，同时增强其可靠性和坚固性以满足先进Wi-Fi标准的要求，进一步拓展了Wi-Fi功率放大器的性能边界。表1展示了GF 350nmSiGe 关键特性，这些特性支持了不同的应用和细分领域。
GF的0.SiGe 最初只是一个不起眼的尝试，却最终取得了巨大的商业成功，为高端智能手机和平板电脑提供了流畅的Wi-Fi体验。如今，这些技术继续主导着智能手机Wi-Fi前端模块（FEM）中使用的功率放大器（PA），并在无线基础设施应用（如PA前置驱动器）中获得了广泛应用。
“太空及更远领域的巨大飞跃”
通常情况下，续作很少能超越原版故事或系列作品。但也有例外，例如GF的130纳米SiGe 它有力证明了该技术能够支持无线和有线通信领域中的多种产品和应用[3][4]。 这些技术SiGe 双极晶体管（HBT）所具备的高频和高压处理特性，使其能够应用于多种领域，例如毫米波和卫星通信功率放大器（PA）及低噪声放大器（LNA）、汽车雷达、无线回程以及高速模拟接口驱动器。. 具体而言，GF 的 SiGe8WL、SiGe8HP 和 SiGe8XP 技术率先将高性能 NPN 晶体管与高质量毫米波和分布式无源器件（如传输线和微带）集成在一起，从而实现了上述应用。
“当征服太空还不够时”
2014年，GF开创SiGe 促成了全球首款90nmSiGe ——SiGe9HP [5]的问世，随后又通过SiGe9HP+ [6]实现了业界领先的NPN性能提升。如今，这两项技术相结合，构成了市场上最全面、最具SiGe 之一。 凭借先进的CMOS集成技术以及包括低损耗金属布线和高压LDMOS在内的一系列特性，该技术支持了最先进的数据中心应用，例如用于高速光通信的跨阻放大器（TIA）和驱动器，以及其他高性能模拟应用，如高带宽模数转换器（ADC）和太赫兹成像与传感。
“革命没有终局”
随着生成式人工智能的出现，业界对更高带宽、更快数据速率以及更远通信距离的需求日益增长。在GF，经过四十年的持续创新，我们再次做好了准备，将SiGe 下一次革命来满足现代通信的需求。 近期，GF在45nm SOI平台上推出了业界性能SiGe 器件，其ft/fmax值达415/600 GHz [7]，并通过Globalshuttle多项目晶圆（MPW）计划，正积极与首批客户合作开发业界首款基于130CBIC工艺的高性能互补型130nmSiGe 。 表4列出了130CBIC技术支持广泛应用的关键特性。
展望未来，一个潜在的增长方向可能是进一步提高HBT的ft/fmax值，以满足数据中心光网络和生成式人工智能应用对先进光收发器的要求。然而，随着生成式人工智能逐渐渗透到智能手机中，在现有power ，降低power 或在射频前端模块及相关组件中提升射频性能（降低噪声、提高增益）便成为一种必然需求。 此外，随着宽带互联网接入持续向全球偏远地区扩展，SiGe 性能和成本可通过优化，以满足消费级卫星地面终端的应用需求，从而助力连接未来40亿互联网用户。
尽管CMOS技术在摩尔定律方面已触及瓶颈SiGe 真正潜力SiGe 进一步释放，并在对射频（RF）及高速性能与能力要求极高的应用领域中，实现更大的规模经济效益。
如需进一步了解GFSiGe 如何助力您的下一代射频及高性能应用，欢迎随时通过gf.com联系我们。
Arvind Narayanan 是 GlobalFoundries 射频产品线的产品管理总监。他负责SiGe RF GaN 路线图，并管理相关的产品组合。他已在 GlobalFoundries 工作超过六年，期间担任过多个面向客户的职位。
参考文献：
[1] D. L. Harame, B. S. Meyerson, “IBMSiGe 信号技术的早期发展史”，载于《IEEE电子器件学报》，第48卷，第11期，2001年11月。
[2] A. Joseph 等，《一种用于Power 0.35 微米SiGe 工艺》，IEEE BCTM 2007。
[3] B. A. Orner 等， “一种采用 200/280 GHz（fT/fmax）SiGe 的 0.13 µm BiCMOS 工艺”，载于《IEEE 双极/BiCMOS 电路与技术会议论文集》，2003 年，第 203-206 页
[4] P. Candra 等， “一种适用于毫米波应用的 130 nmsige 工艺，其 HBT 器件的 fT/fMAX 分别为 260/320 GHz”，载于 IEEE RFIC 研讨会论文集，第 381–384 页，2013 年
[5] J. J. Pekarik 等，《一种适用于毫米波和高性能模拟应用的 90nmSiGe 工艺》，2014 年 IEEE 双极/BiCMOS 电路与技术会议（BCTM），美国加利福尼亚州科罗纳多，2014 年，第 92-95 页
[6] U. S. Raghunathan 等，《基于 90 nm BiCMOS 工艺且 fT/fmax 为 340/410 GHz 的SiGe 性能提升》，2022 年 IEEE BiCMOS 与化合物半导体集成电路与技术研讨会（BCICTS），美国亚利桑那州菲尼克斯市，2022 年， 第232-235页
[7] V. Jain 等，《基于 45 纳米 PDSOI BiCMOS 工艺集成的 415/610 GHz fT/fMAXSiGe 》，2022 年 IEEE 国际电子器件会议 (IEDM)，第 266-268 页
