格罗方德锗硅技术的发展历史和应用

20世纪80年代末至90年代初，在纽约和佛蒙特州这些看似与半导体革命毫无关联的地方，一场悄无声息的半导体变革正悄然兴起。即便是最痴迷于半导体的发烧友，也可能未曾留意到这场变革，毕竟当时摩尔定律以及硅（Si）CMOS晶体管的尺寸缩小占据了所有新闻头条。

彼时，一群工程师默默地投身于创新浪潮，将锗（Ge）引入硅双极结型晶体管中，极大地改善了器件特性，为射频（RF）和高速模拟晶体管实现卓越性能带来了希望。他们采用渐变锗锗硅（SiGe）基区晶体管的开创性工作，为8英寸晶圆上锗硅BiCMOS技术在各类射频/无线及毫米波通信应用领域的商业成功奠定了基础。这种成功和广泛应用，只有少数半导体技术能够与之媲美，如体硅CMOS、砷化镓（GaAs）和射频绝缘体上硅（RF SOI）。

过去15年里，格罗方德在SOI技术创新方面一直处于前沿地位。然而，在锗硅BiCMOS技术进步的征程中，格罗方德（前身为IBM微电子）的技术开发人员和工程师们肩负重任，传承使命，至今已逾四十载。让我们一同追溯锗硅的历史，重温这段先辈们称之为“坚持不懈的故事”，并展望其未来发展。

格罗方德锗硅技术史：

部分之和大于整体

“并非平凡的开端”

任何系列的第一部分往往都会给人留下深刻印象，格罗方德首款成功商业化的锗硅技术便是如此。十多年前，0.35微米锗硅BiCMOS技术[2]——SiGe5PAe的问世，为锗硅进入Wi-Fi功率放大器（PA）领域铺平了道路，当时智能手机时代正开启其全球统治的征程。这项技术助力功率放大器设计师以最低成本实现了最佳的技术性能指标（FoM）组合，如高输出功率、高线性度和高效率。

随着Wi-Fi需求的增长以及新Wi-Fi标准对性能提出了更为严苛的要求，格罗方德在基础平台上持续改进，推出了多种版本的SiGe5PAXe和SiGe5PA4，包括高电阻率衬底选项，实现了集成射频开关和低噪声放大器（LNA）与功率放大器的全前端集成电路（IC）。每一版本都通过提升功率放大器性能，同时增强其在先进Wi-Fi标准下的可靠性和坚固性，进一步拓展了Wi-Fi功率放大器的性能边界。下表1展示了格罗方德350纳米锗硅BiCMOS技术助力不同应用和领域的关键特性。这项起初看似平凡的努力，最终取得了巨大的商业成功，格罗方德的0.35微米锗硅技术为高端智能手机和平板电脑带来了无缝的Wi-Fi体验。如今，这些技术依然在智能手机Wi-Fi前端模块（FEM）的功率放大器领域占据主导地位，并在无线基础设施应用（如功率放大器预驱动器）中逐渐崭露头角。

“向太空及更广阔领域的巨大飞跃”

通常，续作超越原作的案例虽罕见，但格罗方德的130纳米锗硅技术却是个例外，它们在无线和有线通信领域，推动了众多产品和应用的诞生[3][4]。这些技术中的锗硅异质结双极晶体管（HBT）的高频和高电压处理能力支持多种应用，例如毫米波和卫星通信功率放大器与低噪声放大器、汽车雷达、无线回传以及高速模拟接口驱动器。具体而言，格罗方德的SiGe8WL、SiGe8HP和SiGe8XP技术率先实现了高性能NPN晶体管与高质量毫米波和分布式无源元件（如传输线和微带线）的集成，从而推动了上述应用的发展。

“不止于征服太空”

2014年，格罗方德的开创性锗硅创新成果——全球首款90纳米锗硅 BiCMOS技术SiGe9HP[5]问世，随后又通过SiGe9HP+[6]进一步提升了NPN性能，再次引领行业。如今，这两项技术相结合，构成了市场上最全面、最具竞争力的锗硅技术之一。凭借先进的CMOS集成以及一系列特性（包括低损耗金属化和高压LDMOS），该技术助力数据中心实现了最前沿的应用，如跨阻放大器（TIA）和高速光通信驱动器，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。

“变革永无止境”

随着生成式人工智能的兴起，通信领域对更高带宽、数据速率和更长传输距离的需求愈发迫切。经过四十年的持续创新，格罗方德再次准备好迎接锗硅技术的下一场革命，以满足现代通信的需求。格罗方德此前发布了行业性能最高的锗硅HBT，在45纳米SOI平台上实现了415/600 GHz的ft/fmax[7]，并正通过全球快车多项目晶圆（MPW）计划中的130CBIC项目，积极与早期客户合作开发行业首款高性能互补130纳米锗硅BiCMOS技术。表4展示了130CBIC支持广泛应用的关键特性。

展望未来，一个发展方向可能是进一步提高HBT的ft/fmax，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渗透到智能手机领域，在现有功耗水平下降低射频前端模块或相关组件的功耗，或提升射频性能（降低噪声、提高增益）也显得至关重要。此外，随着宽带互联网接入不断向全球偏远角落延伸，锗硅HBT的性能和成本可针对消费级卫星地面终端应用进行优化，助力将下一个40亿用户接入互联网。当CMOS在摩尔定律面前遭遇瓶颈时，锗硅的真正潜力将得到进一步释放，并在对射频/高速性能和能力要求严苛的应用领域实现更大的规模经济效应。

当CMOS在摩尔定律面前遭遇瓶颈时，硅锗的真正潜力将得到进一步释放，并在对射频/高速性能和能力要求严苛的应用领域实现更大的规模经济效应。

Arvind Narayanan

格罗方德射频

产品线总监

Arvind Narayanan负责制定格罗方德锗硅（SiGe）和射频氮化镓（RF GaN）技术战略线图及产品组合管理。他加入格罗方德已逾六年，深耕客户导向型角色。