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進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，摩爾定律的失效大限日益臨近，人工智能、5G、自動(dòng)駕駛等新應(yīng)用的興起，對芯片性能提出了更高的要求，同時(shí)也推動(dòng)了半導(dǎo)體制造工藝和新材料不斷創(chuàng)新，工藝節(jié)點(diǎn)從 28nm 到 10nm 只經(jīng)過了短短的五年，第三代半導(dǎo)體 GaN 和 SiC 的應(yīng)用范圍越來越廣，據(jù) Yole 預(yù)測，2021 年全球 SiC 市場規(guī)模將上漲到 5.5 億美元，GaN 市場將達(dá)到 3 億美元。
未來，在半導(dǎo)體領(lǐng)域，新材料和新工藝發(fā)展前景如何？會(huì)在哪些領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用？半導(dǎo)體領(lǐng)域的材料廠商、芯片廠商會(huì)迎來哪些新機(jī)遇？
針對新材料和新工藝的發(fā)展，與非網(wǎng)策劃了《超摩爾時(shí)代的半導(dǎo)體工藝、材料創(chuàng)新》專題，本期討論我們特邀意法半導(dǎo)體新材料和電源解決方案部創(chuàng)新和關(guān)鍵項(xiàng)目戰(zhàn)營銷總監(jiān) Filippo Di Giovanni 先生來參與討論。
意法半導(dǎo)體新材料和電源解決方案部創(chuàng)新和關(guān)鍵項(xiàng)目戰(zhàn)營銷總監(jiān) Filippo Di Giovanni
汽車、5G、大數(shù)據(jù)諸多新型應(yīng)用給半導(dǎo)體材料帶來發(fā)展契機(jī)
半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展也伴隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展，半導(dǎo)體材料材料被劃分為一、二、三代，其中第一代半導(dǎo)體材料是以硅（Si）為代表，第二代以砷化鎵（GaAs）為代表，第三代則是以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等為代表。新一代的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）被稱為寬禁帶（WBG，wide bandgap）半導(dǎo)體材料，它們在制造高溫、高頻、抗輻射及大功率器件方面有優(yōu)勢，它們能夠滿足對更高能效能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)迫切需求。
新材料的應(yīng)用對于半導(dǎo)體廠商來講也醞釀了更多發(fā)展機(jī)會(huì)。Filippo Di Giovanni 先生認(rèn)為，這些系統(tǒng)的發(fā)展機(jī)會(huì)很大一部分存在于我們的日常生活中。一些常見的典型應(yīng)用案例，比如，耗電量大的數(shù)據(jù)中心、各種各樣的充電器、即將取代內(nèi)燃機(jī)的電動(dòng)汽車的牽引電機(jī)變頻器等。在這些應(yīng)用中，能效的提高都會(huì)減少石油、煤炭等傳統(tǒng)能源消耗產(chǎn)生的二氧化碳。新材料還推進(jìn)再生能源大規(guī)模應(yīng)用，例如，寬禁帶功率半導(dǎo)體可以讓太陽能和風(fēng)力發(fā)電的效率更高。
另一方面，5G 技術(shù)商用將被列為科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的一次長足發(fā)展。隨著基于 5G 的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）部署應(yīng)用，萬物互聯(lián)網(wǎng)（IoE，Internet of Everything ）大規(guī)模普及，數(shù)十億的用戶、機(jī)器和設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)共享大量的數(shù)據(jù)、高分辨率圖像和高清視頻流，遠(yuǎn)程手術(shù)、自動(dòng)駕駛汽車、無人機(jī)送貨和許多其他具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用將從概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。除人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)外，這些發(fā)展成果仍將歸功于處理性能更高、帶寬更高和延遲短的新材料（包括 GaN on silicon 和 GaN on SiC 射頻器件）。
20 世紀(jì) 90 年代初，意法半導(dǎo)體從 2 吋晶圓開始一直在開發(fā)和推出 SiC MOSFET 晶體管和二極管，經(jīng)過多年長期投資，ST 獲得了相關(guān)核心制造工藝的關(guān)鍵專利。無論是在外延層、邊緣端接設(shè)計(jì)，還是柵極氧化層等方面，ST 的高壓晶體管和二極管制造專長幫助 SiC 開發(fā)成功，功不可沒。如今 ST 已借勢發(fā)展成為新興電動(dòng)汽車（EV）行業(yè)的重要 SiC 供應(yīng)商，以后仍將致力于開發(fā) 5G 基站和功率開關(guān)用硅上 GaN 器件。ST 擁有 SiC 創(chuàng)新解決方案，STPAK 主要用于電動(dòng)汽車牽引系統(tǒng)的主逆變器，HU3PAK 主要用于電動(dòng)汽車車載充電, DC-DC 變頻器。除此之外，ST 的 SiC 產(chǎn)品用于電動(dòng)汽車車載充電、工業(yè)驅(qū)動(dòng)、光伏等應(yīng)用中，GaN 應(yīng)用于 5G 通信的通信塔中。
ST 的 STPAK 產(chǎn)品
ST 的 HU3PAK 產(chǎn)品
5G是新材料發(fā)展的催化劑，但新舊材料將一齊發(fā)揮作用
雖然第三代半導(dǎo)體有著諸多技術(shù)優(yōu)勢， SiC 和 GaN 在禁帶寬度、擊穿電場、抗輻射能力等方面表現(xiàn)優(yōu)異，但是發(fā)展速度不是很快，究其原因，F(xiàn)ilippo Di Giovanni 分析，我們注意到汽車電汽化領(lǐng)域越來越看好 SiC MOSFET 和二極管，電動(dòng)汽車企業(yè)想要從電池組中“榨出”更多的續(xù)航里程，縮短充電時(shí)間并提高能源效率，從而降低冷卻系統(tǒng)的成本、尺寸和重量。 這就是為什么客戶選擇用 SiC 產(chǎn)品來取代現(xiàn)有的硅解決方案（IGBT）。 為此，ST 一直并將繼續(xù)大力投資晶圓產(chǎn)能。我們還認(rèn)為，大多數(shù)汽車制造商基本上都將推出輕混車型，輕混汽車市場的爆發(fā)，將為功率轉(zhuǎn)換用高壓（650V）GaN 和低壓（100V）GaN 兩種應(yīng)用的發(fā)展提供動(dòng)能。
關(guān)于新舊材料的替換，業(yè)界也在一直爭論不休，有人認(rèn)為，未來 SiC 和 GaN 等新型材料會(huì)完全取代 Si 材料，有的人認(rèn)為，Si 材料在短期內(nèi)無法被完全替代。 Filippo Di Giovanni 表示，要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域，例如，電動(dòng)汽車、快速充電樁和 5G 基站，已經(jīng)開始采用新材料，甚至廣泛應(yīng)用新材料。當(dāng)然，新材料應(yīng)用是不可能一蹴而就的，根據(jù)最終用途的不同，有些客戶看重的是成本，而不是性能。我們認(rèn)為，汽車是推動(dòng) SiC 應(yīng)用的主要?jiǎng)恿?，?5G 將催化硅和 SiC 襯底 GaN 晶體管的發(fā)展。
雖然 SiC 和 GaN 是大規(guī)模市場的主流半導(dǎo)體材料，但 GaAs（砷化鎵）仍然在移動(dòng)設(shè)備前端模塊中發(fā)揮重要作用，主要用于 6GHz 以下功率放大器（PA）。在射頻電路中，前端模塊（FEM）是指天線和發(fā)射器 / 接收器（收發(fā)器）之間的所有器件，包括開關(guān)、濾波器、低噪放大器（LNA）和功放（PA）。
超摩爾時(shí)代，必將迎來半導(dǎo)體功能的多樣化
摩爾定律是英特爾的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出的。在過去的數(shù)十年里，摩爾定律一直是微電子行業(yè)的發(fā)展動(dòng)力，推動(dòng)半導(dǎo)體市場成倍增長，取得長足的發(fā)展。在一顆芯片中集成數(shù)量更多的晶體管，可以大大降低給定功能的成本。高集成度電路實(shí)現(xiàn)了更加復(fù)雜的數(shù)字電路和存儲(chǔ)器，引發(fā)并推動(dòng)計(jì)算和通信等領(lǐng)域的科技革命。現(xiàn)在，隨著原子級晶體管的出現(xiàn)，通過縮小晶體管尺寸，使芯片上晶體管數(shù)量每 18-24 個(gè)月翻倍的可能性即將結(jié)束。雖然不像某些數(shù)字產(chǎn)品那樣依賴于尺寸縮小的功能，但某些應(yīng)用和產(chǎn)品，如：射頻器件、電源管理系統(tǒng)、傳感器、執(zhí)行器和 MEMS（微機(jī)電和傳感器），在當(dāng)今的半導(dǎo)體中扮演著同樣重要的角色。
為解決其他應(yīng)用和產(chǎn)品需求，業(yè)界提出了新的超摩爾定律（MtM），即通過集成異構(gòu)技術(shù)來創(chuàng)建復(fù)雜系統(tǒng)的可能性。超摩爾趨勢的特征之一是半導(dǎo)體功能的多樣化。現(xiàn)在非數(shù)字電路功能有助于設(shè)計(jì)小型化，即使不按照數(shù)字電路的方式和速度縮減尺寸，同樣有助于小型化。除了整合更多智能功能外，超摩爾還在可穿戴設(shè)備中支持系統(tǒng)與外部世界和用戶交互，這意味著非數(shù)字功能將從系統(tǒng)板級轉(zhuǎn)移到芯片封裝（SIP）內(nèi)或芯片（SOC）上。例如，新技術(shù)允許在硅襯底上集成 GaN 和 CMOS，實(shí)現(xiàn) RF 和混合信號電路，充分利用 WBG 器件的卓越性能。
環(huán)境變化持續(xù)推動(dòng)新工藝的發(fā)展
新的制造工藝和技術(shù)可以在應(yīng)對當(dāng)今全世界面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn) -- 全球氣候變化方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。 下一代無線通信（5G）將是支撐物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)和支柱，并將會(huì)催化出更多的應(yīng)用平臺(tái)，改變我們的辦公、生產(chǎn)、溝通和生活方式，給我們帶來非常多的新機(jī)遇。
與單純的硅器件相比，高摻雜度 SiC 器件的電場更強(qiáng)，導(dǎo)致柵極電介質(zhì)上出現(xiàn)一個(gè)電應(yīng)力，這需要實(shí)現(xiàn)特殊的屏蔽結(jié)構(gòu)和改進(jìn)電介質(zhì) - 半導(dǎo)體界面。 電介質(zhì) - 半導(dǎo)體界面的改進(jìn)也有利于改善遷移率，并因此降低導(dǎo)通電阻。
在 Filippo Di Giovanni 看來，材料的硬度和透明度不僅是處理和加工晶圓片的挑戰(zhàn)，還是襯底基材質(zhì)量的挑戰(zhàn)。為此，我們下大力氣來與襯底供應(yīng)商一起分析所有缺陷根源，發(fā)現(xiàn)并消除可能影響良率的因素。最后，從設(shè)備調(diào)整和襯底重新測試角度來看，4 吋到 6 吋的升級是一項(xiàng)巨大且繁重的工作。
與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，未經(jīng)允許，不得轉(zhuǎn)載！
