FD-SOI技術(shù)在毫米波雷達(dá)芯片中有何應(yīng)用？

毫米波雷達(dá)是推動(dòng)ADAS和自動(dòng)輔助駕駛發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，這種感知方式使得車輛能夠感知周圍環(huán)境并基于此信息做出決策，從而提高了安全性和駕駛性能。毫米波雷達(dá)雷達(dá)在面對(duì)干擾大氣和環(huán)境因素時(shí)表現(xiàn)非常強(qiáng)大，能夠即時(shí)測(cè)量距離、角度和速度，并生成環(huán)境的信息。

● 毫米波雷達(dá)發(fā)展趨勢(shì)

毫米波雷達(dá)技術(shù)主要用于高檔車輛，但在過(guò)去的20年里，雷達(dá)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，第一個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)的77GHz雷達(dá)于1998年在奔馳S級(jí)車；2011年之后更多車輛采用了標(biāo)準(zhǔn)毫米波雷達(dá)產(chǎn)品（開始普及）。目前全球毫米波雷達(dá)市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)因素是對(duì)ADAS的需求增加，同時(shí)由NCAP要求的主動(dòng)安全系統(tǒng)的需求加速增長(zhǎng)，汽車行業(yè)目前對(duì)高精度、多功能毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的需求增加了。

為滿足下一代雷達(dá)系統(tǒng)的需求，毫米波雷達(dá)轉(zhuǎn)向了CMOS，采用CMOS技術(shù)可以顯著增加集成密度，單芯片上的雷達(dá)發(fā)射接收器（雷達(dá)芯片SoC開始流行），設(shè)計(jì)通常包括毫米波前端、模擬基帶和數(shù)字處理，全部集成在同一芯片上，還可以包括微控制器（MCUs）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSPs）、內(nèi)存和機(jī)器學(xué)習(xí)引擎，使得毫米波雷達(dá)能夠獨(dú)立運(yùn)行，幾乎不需要外部組件，從而降低了整體BOM成本，芯片制造節(jié)點(diǎn)選擇是40/45nm、28nm和22nm，甚至選擇了16nm。

汽車?yán)走_(dá)最有前途的硅技術(shù)之一是全耗盡硅絕緣體（FD-SOI），F(xiàn)D-SOI技術(shù)使得高頻雷達(dá)組件能夠集成在單一芯片上，不僅可以提高雷達(dá)系統(tǒng)的性能，還可以實(shí)現(xiàn)低功耗操作，這對(duì)于汽車應(yīng)用中的功率效率至關(guān)重要。

●FD-SOI技術(shù)

毫米波雷達(dá)的任務(wù)是識(shí)別和空間定位基于質(zhì)量的障礙物，包括其他車輛、自行車騎手、行人、動(dòng)物，甚至固定障礙物。

分析雷達(dá)傳感器性能時(shí)的關(guān)鍵指標(biāo)包括：

1）能夠探測(cè)物體的距離（范圍）

2）能夠準(zhǔn)確分辨物體的可靠性（范圍分辨率）

3）能夠分辨物體的速度有多強(qiáng)（速度分辨率）

4）能夠確定物體位置和軌跡的準(zhǔn)確度（角度分辨率）

表1：高級(jí)LRR雷達(dá)的典型性能參數(shù)

高精度和高分辨率不僅使得今天的雷達(dá)能夠進(jìn)行物體探測(cè)，還能進(jìn)行物體分類，為了獲得更高的精度和分辨率，需要付出更多的數(shù)據(jù)。隨著精度和分辨率的提高，數(shù)據(jù)量相應(yīng)增加，這需要更多的計(jì)算能力。在管理由高精度和分辨率雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，同時(shí)保持低功耗方面，架構(gòu)的選擇和使用高效CMOS技術(shù)至關(guān)重要。

使用CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)毫米波雷達(dá)系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的模擬雷達(dá)收發(fā)器具有許多優(yōu)勢(shì)：

1）CMOS技術(shù)允許將多個(gè)組件（如雷達(dá)收發(fā)器、信號(hào)處理電路和控制邏輯）集成到一個(gè)芯片中，提高了雷達(dá)系統(tǒng)的分辨率和密度，使其能夠更準(zhǔn)確、可靠地檢測(cè)物體。

2）CMOS技術(shù)通常比傳統(tǒng)的模擬雷達(dá)收發(fā)器更便宜，有助于降低雷達(dá)系統(tǒng)的總成本。通過(guò)將雷達(dá)系統(tǒng)集成到單一芯片上，SoC可以更加緊湊和高效，空間和功耗都至關(guān)重要。

評(píng)估CMOS技術(shù)在77GHz工作的汽車?yán)走_(dá)中的適用性的一種方法是查看晶體管的速度。CMOS技術(shù)的傳輸頻率進(jìn)入傳統(tǒng)上由BiCMOS工藝主導(dǎo)的雷達(dá)汽車市場(chǎng)，BiCMOS工藝在整體雷達(dá)市場(chǎng)中占據(jù)了2/3以上的份額。在目前用于雷達(dá)的CMOS工藝中，22nm的FD-SOI技術(shù)明顯優(yōu)于finfet和bulk技術(shù)，并且與最先進(jìn)的SiGe技術(shù)相媲美。

這種技術(shù)被諸多雷達(dá)芯片制造商，如博世和Arbe，視為雷達(dá)的最先進(jìn)CMOS技術(shù)，能夠提供fT > 350 GHz和Fmax > 390 GHz的晶體管，以及其他幾個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，將在下一節(jié)中描述。

●FD-SOI技術(shù)的獨(dú)特特性

FD-SOI與傳統(tǒng)的體硅技術(shù)相比，具有更好的性能和更低的功耗，在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中具有更多的靈活性。FD-SOI晶體管具有幾個(gè)獨(dú)特特性，比如能夠在低電壓下工作、抵消PVTA（Process, Voltage, Temperature, Aging）變化、對(duì)輻射幾乎不敏感，以及表現(xiàn)出非常高的固有晶體管速度，這使其成為優(yōu)于其他RF-CMOS技術(shù)替代方案的理想選擇。

1）FD-SOI和超低電壓

由于其固有的低變異性特性和Body Bias技術(shù)，F(xiàn)D-SOI能夠在非常低的供電電壓下工作，甚至可以達(dá)到0.4V或更低，這使其成為對(duì)功耗非常關(guān)鍵的應(yīng)用的理想技術(shù)。降低供電電壓可以減少動(dòng)態(tài)功耗，這是與其他技術(shù)相比的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，允許在功耗比性能更為重要的應(yīng)用中更高效地使用電能。

2）FD-SOI和軟錯(cuò)誤率

FD-SOI以其高抗高能粒子的特性而聞名，高能粒子可能導(dǎo)致電子器件出現(xiàn)軟錯(cuò)誤。這是因?yàn)樵贔D-SOI中，活動(dòng)器件區(qū)域與基底之間由薄薄的絕緣層（稱為Box）隔開。埋藏的氧化物層降低了器件對(duì)在基底中產(chǎn)生的電荷的敏感性，使其不太可能發(fā)生軟錯(cuò)誤。這使FD-SOI成為諸如先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（AD）等對(duì)安全性要求極高的應(yīng)用的理想技術(shù)。

3）FD-SOI和Body Bias

Body Bias允許在制造后對(duì)器件的閾值電壓進(jìn)行控制，在汽車應(yīng)用中是一個(gè)非常有用的工具，并且已經(jīng)在許多消費(fèi)者和汽車產(chǎn)品中廣泛使用，用于PVTA補(bǔ)償。通過(guò)在產(chǎn)品中實(shí)施體偏壓，可以達(dá)到顯著減少工藝、電壓、溫度和老化變化的目標(biāo)，簡(jiǎn)化產(chǎn)品工程師確保產(chǎn)品規(guī)格在1 ppm以下的任務(wù)。在數(shù)字方面，最近開發(fā)了新的自適應(yīng)技術(shù)ABB，允許應(yīng)用設(shè)計(jì)在廣泛的工作條件下（如溫度、制造變異性和供電電壓）維持目標(biāo)操作頻率。構(gòu)能夠使22nm FD-SOI技術(shù)的處理器能效提高30％，并將操作頻率提高450％。

4）FD-SOI和模擬/射頻

隨著速度、噪聲、功耗、漏電和變異性目標(biāo)變得越來(lái)越難以實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)D-SOI技術(shù)通過(guò)提供改進(jìn)的晶體管匹配度、增益和寄生參數(shù)，簡(jiǎn)化了模擬和射頻模塊的設(shè)計(jì)。將盡可能多的模擬/射頻功能組合到單一的RF-CMOS硅平臺(tái)中對(duì)于成本和功耗效率而言變得更加重要，但是RF-CMOS平臺(tái)在頻率上的增加，特別是在毫米波頻譜中，面臨著越來(lái)越多的困難。FinFET結(jié)構(gòu)具有更多的架構(gòu)限制，因此在這個(gè)頻率范圍內(nèi)通常使用SiGe-Bipolar平臺(tái)。由于FD-SOI是一種平面技術(shù)，它不具備3D器件的限制，其Ft/Fmax在350 GHz至410 GHz的范圍內(nèi)，可以充分利用毫米波頻譜，使FD-SOI RF-CMOS平臺(tái)成為各種應(yīng)用（如汽車?yán)走_(dá)）的有前途的選擇。

5）FD-SOI和性能增強(qiáng)器

Smartcut技術(shù)已被用于將偽形生長(zhǎng)的硅薄膜通過(guò)完全松弛的SiGe緩沖層作為供體晶片轉(zhuǎn)移，形成獨(dú)特的應(yīng)變硅絕緣體（SSOI）晶片。SSOI技術(shù)是SOI技術(shù)的自然延伸，結(jié)合了SOI的優(yōu)勢(shì)和張力應(yīng)變硅的載流子遷移率增強(qiáng)，適用于高性能低功耗應(yīng)用。n通道和p通道晶體管的性能提高，用于提高邏輯和射頻性能，n通道FD-SOI器件的飽和電流（Ion）在20%張力應(yīng)變硅通道下增加28%，在未松弛張力應(yīng)變的情況下通過(guò)Ge凝聚在35% c-SiGe中形成，Ion增加16%。在形成cSiGe通道之前通過(guò)局部張力應(yīng)變的方法，性能將更高，可超過(guò)25%的cSiGe。

應(yīng)變硅對(duì)絕緣體上的晶體管的提高性能，降低功耗，減少漏電電流等目標(biāo)越來(lái)越難以實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)D-SOI技術(shù)通過(guò)在晶體管中提供改進(jìn)的匹配、增益和寄生參數(shù)，為模擬和RF模塊的設(shè)計(jì)提供了解決方案。將盡可能多的模擬/RF功能集成到單一的RF-CMOS硅平臺(tái)中對(duì)于成本和功耗效率而言變得更加重要，但是RF-CMOS平臺(tái)在頻率上的增加，特別是在毫米波頻譜中，面臨著越來(lái)越多的困難。FinFET結(jié)構(gòu)具有更多的架構(gòu)限制，因此在這個(gè)頻率范圍內(nèi)通常使用SiGe-Bipolar平臺(tái)。

FD-SOI是一種平面技術(shù)，不具備3D器件的限制，其Ft/Fmax在350 GHz至410 GHz的范圍內(nèi)，可以充分利用毫米波頻譜，使FD-SOI RF-CMOS平臺(tái)成為各種應(yīng)用（如汽車?yán)走_(dá)）的有前途的選擇。

集成模擬前端和數(shù)字信號(hào)處理的SoC是下一代雷達(dá)技術(shù)的合理選擇，允許在傳感器操作期間高效、廣泛地監(jiān)測(cè)多個(gè)參數(shù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，這對(duì)于符合安全性要求的應(yīng)用是必不可少的。傳統(tǒng)上，雷達(dá)系統(tǒng)是使用離散元件實(shí)現(xiàn)的，這增加了功耗和整個(gè)系統(tǒng)成本。FD-SOI技術(shù)看似是汽車?yán)走_(dá)的理想技術(shù)和自然演變。FD-SOI技術(shù)結(jié)合了無(wú)摻雜通道的高遷移率、相同設(shè)計(jì)規(guī)則下最小的總電容、低功耗數(shù)字功能和硅基遷移率增強(qiáng)的選項(xiàng)，這些功能極大地提高了數(shù)字和RF/mmWave功能的性能，為開發(fā)完全集成的雷達(dá)設(shè)備提供了理想平臺(tái)。

審核編輯：劉清