FD-SOI技術在毫米波雷達芯片中有何應用？

毫米波雷達是推動ADAS和自動輔助駕駛發展的關鍵驅動因素，這種感知方式使得車輛能夠感知周圍環境并基于此信息做出決策，從而提高了安全性和駕駛性能。毫米波雷達雷達在面對干擾大氣和環境因素時表現非常強大，能夠即時測量距離、角度和速度，并生成環境的信息。

● 毫米波雷達發展趨勢

毫米波雷達技術主要用于高檔車輛，但在過去的20年里，雷達技術取得了長足的進展，第一個大規模生產的77GHz雷達于1998年在奔馳S級車；2011年之后更多車輛采用了標準毫米波雷達產品（開始普及）。目前全球毫米波雷達市場的主要驅動因素是對ADAS的需求增加，同時由NCAP要求的主動安全系統的需求加速增長，汽車行業目前對高精度、多功能毫米波雷達系統的需求增加了。

為滿足下一代雷達系統的需求，毫米波雷達轉向了CMOS，采用CMOS技術可以顯著增加集成密度，單芯片上的雷達發射接收器（雷達芯片SoC開始流行），設計通常包括毫米波前端、模擬基帶和數字處理，全部集成在同一芯片上，還可以包括微控制器（MCUs）、數字信號處理器（DSPs）、內存和機器學習引擎，使得毫米波雷達能夠獨立運行，幾乎不需要外部組件，從而降低了整體BOM成本，芯片制造節點選擇是40/45nm、28nm和22nm，甚至選擇了16nm。

汽車雷達最有前途的硅技術之一是全耗盡硅絕緣體（FD-SOI），FD-SOI技術使得高頻雷達組件能夠集成在單一芯片上，不僅可以提高雷達系統的性能，還可以實現低功耗操作，這對于汽車應用中的功率效率至關重要。

●FD-SOI技術

毫米波雷達的任務是識別和空間定位基于質量的障礙物，包括其他車輛、自行車騎手、行人、動物，甚至固定障礙物。

分析雷達傳感器性能時的關鍵指標包括：

1）能夠探測物體的距離（范圍）

2）能夠準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（速度分辨率）

4）能夠確定物體位置和軌跡的準確度（角度分辨率）

表1：高級LRR雷達的典型性能參數

高精度和高分辨率不僅使得今天的雷達能夠進行物體探測，還能進行物體分類，為了獲得更高的精度和分辨率，需要付出更多的數據。隨著精度和分辨率的提高，數據量相應增加，這需要更多的計算能力。在管理由高精度和分辨率雷達系統產生的大量數據，同時保持低功耗方面，架構的選擇和使用高效CMOS技術至關重要。

使用CMOS技術設計毫米波雷達系統相對于傳統的模擬雷達收發器具有許多優勢：

1）CMOS技術允許將多個組件（如雷達收發器、信號處理電路和控制邏輯）集成到一個芯片中，提高了雷達系統的分辨率和密度，使其能夠更準確、可靠地檢測物體。

2）CMOS技術通常比傳統的模擬雷達收發器更便宜，有助于降低雷達系統的總成本。通過將雷達系統集成到單一芯片上，SoC可以更加緊湊和高效，空間和功耗都至關重要。

評估CMOS技術在77GHz工作的汽車雷達中的適用性的一種方法是查看晶體管的速度。CMOS技術的傳輸頻率進入傳統上由BiCMOS工藝主導的雷達汽車市場，BiCMOS工藝在整體雷達市場中占據了2/3以上的份額。在目前用于雷達的CMOS工藝中，22nm的FD-SOI技術明顯優于finfet和bulk技術，并且與最先進的SiGe技術相媲美。

這種技術被諸多雷達芯片制造商，如博世和Arbe，視為雷達的最先進CMOS技術，能夠提供fT > 350 GHz和Fmax > 390 GHz的晶體管，以及其他幾個獨特的優勢，將在下一節中描述。

●FD-SOI技術的獨特特性

FD-SOI與傳統的體硅技術相比，具有更好的性能和更低的功耗，在設計和制造過程中具有更多的靈活性。FD-SOI晶體管具有幾個獨特特性，比如能夠在低電壓下工作、抵消PVTA（Process, Voltage, Temperature, Aging）變化、對輻射幾乎不敏感，以及表現出非常高的固有晶體管速度，這使其成為優于其他RF-CMOS技術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，FD-SOI能夠在非常低的供電電壓下工作，甚至可以達到0.4V或更低，這使其成為對功耗非常關鍵的應用的理想技術。降低供電電壓可以減少動態功耗，這是與其他技術相比的獨特優勢，允許在功耗比性能更為重要的應用中更高效地使用電能。

2）FD-SOI和軟錯誤率

FD-SOI以其高抗高能粒子的特性而聞名，高能粒子可能導致電子器件出現軟錯誤。這是因為在FD-SOI中，活動器件區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在基底中產生的電荷的敏感性，使其不太可能發生軟錯誤。這使FD-SOI成為諸如先進駕駛輔助系統（ADAS）和自動駕駛系統（AD）等對安全性要求極高的應用的理想技術。

3）FD-SOI和Body Bias

Body Bias允許在制造后對器件的閾值電壓進行控制，在汽車應用中是一個非常有用的工具，并且已經在許多消費者和汽車產品中廣泛使用，用于PVTA補償。通過在產品中實施體偏壓，可以達到顯著減少工藝、電壓、溫度和老化變化的目標，簡化產品工程師確保產品規格在1 ppm以下的任務。在數字方面，最近開發了新的自適應技術ABB，允許應用設計在廣泛的工作條件下（如溫度、制造變異性和供電電壓）維持目標操作頻率。構能夠使22nm FD-SOI技術的處理器能效提高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、漏電和變異性目標變得越來越難以實現，FD-SOI技術通過提供改進的晶體管匹配度、增益和寄生參數，簡化了模擬和射頻模塊的設計。將盡可能多的模擬/射頻功能組合到單一的RF-CMOS硅平臺中對于成本和功耗效率而言變得更加重要，但是RF-CMOS平臺在頻率上的增加，特別是在毫米波頻譜中，面臨著越來越多的困難。FinFET結構具有更多的架構限制，因此在這個頻率范圍內通常使用SiGe-Bipolar平臺。由于FD-SOI是一種平面技術，它不具備3D器件的限制，其Ft/Fmax在350 GHz至410 GHz的范圍內，可以充分利用毫米波頻譜，使FD-SOI RF-CMOS平臺成為各種應用（如汽車雷達）的有前途的選擇。

5）FD-SOI和性能增強器

Smartcut技術已被用于將偽形生長的硅薄膜通過完全松弛的SiGe緩沖層作為供體晶片轉移，形成獨特的應變硅絕緣體（SSOI）晶片。SSOI技術是SOI技術的自然延伸，結合了SOI的優勢和張力應變硅的載流子遷移率增強，適用于高性能低功耗應用。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%張力應變硅通道下增加28%，在未松弛張力應變的情況下通過Ge凝聚在35% c-SiGe中形成，Ion增加16%。在形成cSiGe通道之前通過局部張力應變的方法，性能將更高，可超過25%的cSiGe。

應變硅對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越來越難以實現，FD-SOI技術通過在晶體管中提供改進的匹配、增益和寄生參數，為模擬和RF模塊的設計提供了解決方案。將盡可能多的模擬/RF功能集成到單一的RF-CMOS硅平臺中對于成本和功耗效率而言變得更加重要，但是RF-CMOS平臺在頻率上的增加，特別是在毫米波頻譜中，面臨著越來越多的困難。FinFET結構具有更多的架構限制，因此在這個頻率范圍內通常使用SiGe-Bipolar平臺。

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

集成模擬前端和數字信號處理的SoC是下一代雷達技術的合理選擇，允許在傳感器操作期間高效、廣泛地監測多個參數并進行實時評估，這對于符合安全性要求的應用是必不可少的。傳統上，雷達系統是使用離散元件實現的，這增加了功耗和整個系統成本。FD-SOI技術看似是汽車雷達的理想技術和自然演變。FD-SOI技術結合了無摻雜通道的高遷移率、相同設計規則下最小的總電容、低功耗數字功能和硅基遷移率增強的選項，這些功能極大地提高了數字和RF/mmWave功能的性能，為開發完全集成的雷達設備提供了理想平臺。

審核編輯：劉清