優(yōu)化襯底助推第三代半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)汽車創(chuàng)新

的確，伴隨近年來(lái)5G的部署，汽車產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)化、自動(dòng)化、共享化、電動(dòng)化的“CASE”四化趨勢(shì)。隨著消費(fèi)者對(duì)汽車安全、舒適、便利和娛樂(lè)要求的提升，汽車將逐步走向電動(dòng)化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化，并將推動(dòng)微處理器、存儲(chǔ)器、功率器件、傳感器、車載攝像頭、雷達(dá)等廣泛應(yīng)用，促使汽車半導(dǎo)體的用量不斷提升，為功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的上下游供應(yīng)鏈帶來(lái)了機(jī)遇，同時(shí)也帶來(lái)了很多挑戰(zhàn)。

事實(shí)上，下游客戶的創(chuàng)新需求首先要由最基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料來(lái)滿足，只有他們?cè)诰A制造方面提供了應(yīng)用某種技術(shù)的可能性，最終客戶才能充分發(fā)揮自己的想象，做出更多創(chuàng)新的功能。

作為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)創(chuàng)新性半導(dǎo)體材料的企業(yè)，Soitec從1992年公司成立直到現(xiàn)在都在使用一種稱為Smart CutTM的技術(shù)，對(duì)硅、碳化硅、藍(lán)寶石襯底（生長(zhǎng)外延層的潔凈單晶薄片）等各種半導(dǎo)體材料進(jìn)行切割，其優(yōu)化襯底已經(jīng)非常成熟，一年來(lái)該公司更將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了5G和汽車行業(yè)的戰(zhàn)略布局，特別是在開發(fā)第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料方面獲得了長(zhǎng)足進(jìn)展

何為襯底、晶圓？

晶圓是制作集成電路用的晶片，各種電路元件結(jié)構(gòu)都是在其上蝕刻形成的。晶圓是用高純度多晶硅形成的圓柱形單晶硅棒，經(jīng)研磨、切片、拋光后形成的。其形如圓片，所以叫晶圓。

晶圓制備包括襯底（substrate）制備和外延（epitaxy）工藝。作為襯底使用的晶圓片可以直接進(jìn)入晶圓制造環(huán)節(jié)生產(chǎn)半導(dǎo)體器件，也可以進(jìn)行外延工藝加工生產(chǎn)外延片。外延是在單晶襯底上生長(zhǎng)的一層新的單晶，新單晶可以與襯底為同一材料，也可以是不同材料。

從單晶硅棒到最終應(yīng)用的價(jià)值鏈

汽車產(chǎn)業(yè)的功率半導(dǎo)體機(jī)遇

汽車行業(yè)目前的創(chuàng)新大趨勢(shì)是四化。到2030年，5G汽車的銷量將超過(guò)1600萬(wàn)輛，L3及以上自動(dòng)駕駛車型的銷量將達(dá)700萬(wàn)輛，電動(dòng)汽車銷量將達(dá)2300萬(wàn)輛。這給整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)和相關(guān)行業(yè)帶來(lái)了很多變化。

可以肯定地說(shuō)，在特斯拉獲得成功之后，汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)不再是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，它出現(xiàn)了一些結(jié)構(gòu)上的變化，也為相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了許多機(jī)會(huì)。

汽車行業(yè)趨勢(shì)的變遷

Soitec中國(guó)區(qū)戰(zhàn)略發(fā)展總監(jiān)張萬(wàn)鵬認(rèn)為，汽車創(chuàng)新的關(guān)鍵在于互聯(lián)、電動(dòng)化、自動(dòng)化、共享的等電子系統(tǒng)的創(chuàng)新。

張萬(wàn)鵬

他表示，2007年，當(dāng)時(shí)整車成本中電子系統(tǒng)的成本可能只有約20%，預(yù)計(jì)到2030年將可達(dá)到50%。這表明汽車行業(yè)創(chuàng)新關(guān)鍵在于電子系統(tǒng)。如果將這些按照CASE來(lái)細(xì)分，每個(gè)部分增長(zhǎng)的成本可能會(huì)從2%到22%，這將給整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)和電子設(shè)計(jì)行業(yè)帶來(lái)更多機(jī)會(huì)。

汽車創(chuàng)新的關(guān)鍵

而對(duì)于電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)及成本都在發(fā)生變化。功率半導(dǎo)體器件的成本將從200美金增加至450美金，這當(dāng)中80%的是碳化硅、氮化鎵等功率MOSFET的成本。

不同混動(dòng)系統(tǒng)對(duì)功率器件的需求也不一樣

汽車網(wǎng)聯(lián)、自動(dòng)化及共享和電動(dòng)汽車的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)將遇到諸多挑戰(zhàn)，如，怎樣提高汽車能效，從而延長(zhǎng)行駛里程；怎樣實(shí)現(xiàn)汽車的優(yōu)化通信；怎樣進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的高效集成，實(shí)現(xiàn)有助于自動(dòng)駕駛的更好的感知和顯示；此外，還有汽車的可靠性、電池安全性，以及大規(guī)模推廣的成本。

沒(méi)錯(cuò)，碳化硅的大規(guī)模應(yīng)用一直受供應(yīng)量、良率及成本等因素的限制。Soitec與應(yīng)用材料公司啟動(dòng)新一代碳化硅襯底聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目旨在通過(guò)提供先進(jìn)技術(shù)與產(chǎn)品，提高碳化硅的可用性及性能，突破上述限制，滿足電動(dòng)汽車、通信及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)μ蓟璨粩嘣黾拥男枨?，持續(xù)為行業(yè)創(chuàng)造更高價(jià)值。

什么是智能切割？

Soitec全球戰(zhàn)略執(zhí)行副總裁Thomas Piliszczuk博士介紹說(shuō)，Smart CutTM是自主研發(fā)的技術(shù)。通過(guò)智能切割，Soitec專利的晶圓鍵合和層分離技術(shù)使得將一層薄薄的晶體材料從施主襯底轉(zhuǎn)移到另一襯底成為可能，克服了物理限制，改變了襯底整個(gè)行業(yè)的面貌。

Thomas Piliszczuk博士

據(jù)他介紹，從1992年到現(xiàn)在，Soitec都在將Smart CutTM技術(shù)用在硅、碳化硅、藍(lán)寶石襯底等各種半導(dǎo)體材料，已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。其優(yōu)化襯底產(chǎn)品有RF-SOI、POI和FD-SOI，廣泛適用于各種應(yīng)用。

豐富的優(yōu)化襯底組合

他說(shuō)，Smart CutTM工藝的第一步是進(jìn)行熱氧化；第二步是注入氫，以便后期對(duì)硅圓片進(jìn)行剝離；第三步是進(jìn)行清洗和建核；第四步是切割，再退火，再循環(huán)，然后進(jìn)行下一步切割。Smart CutTM 的最大優(yōu)點(diǎn)在于提高了材料均勻性，降低了材料的缺陷密度，并有助于高質(zhì)量晶圓的循環(huán)再利用。

據(jù)了解，Soitec的專利技術(shù)Smart CutTM已廣泛應(yīng)用于SOI（Silicon-On-Insulator，絕緣體上硅）產(chǎn)品生產(chǎn)，保障芯片制造商的材料供應(yīng)，加上應(yīng)用材料公司在制程技術(shù)與生產(chǎn)設(shè)備方面的支持，將在CEA-Leti（法國(guó)原子能委員會(huì)電子與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室）的襯底創(chuàng)新中心中增加一條碳化硅優(yōu)化襯底實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線。

優(yōu)化襯底助力大規(guī)模應(yīng)用

Soitec專攻優(yōu)化襯底，其業(yè)務(wù)包括幾個(gè)部分，一是RF-SOI，主要服務(wù)于智能手機(jī)市場(chǎng)，5G的發(fā)展給這塊業(yè)務(wù)帶來(lái)了非常大的促進(jìn)作用；二是FD-SOI（完全耗盡型絕緣體上硅），特別是針對(duì)能效、AI和5G應(yīng)用；三是特殊SOI，產(chǎn)品主要服務(wù)于汽車、人臉識(shí)別及數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)，其中Power-SOI主要應(yīng)用于汽車市場(chǎng)，如電池管理系統(tǒng)、電流傳感器、高頻柵極驅(qū)動(dòng)器、制動(dòng)器等，滿足汽車市場(chǎng)對(duì)能效的要求。

SOI的汽車應(yīng)用

第四塊業(yè)務(wù)是一年前收購(gòu)的EpiGaN，在技術(shù)和運(yùn)營(yíng)方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了EpiGaN協(xié)同增效?，F(xiàn)在EpiGaN生產(chǎn)主要針對(duì)RF氮化鎵外延片，同時(shí)還在關(guān)注應(yīng)用于功率產(chǎn)品方面的氮化鎵外延片生產(chǎn)。

Power-SOI的應(yīng)用已在汽車客戶中獲得成功

Soitec全球業(yè)務(wù)部高級(jí)執(zhí)行副總裁Bernard Aspar博士說(shuō)，鑒于氮化鎵在功率晶體管設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，收購(gòu)EpiGaN還將為其現(xiàn)有的Power-SOI產(chǎn)品創(chuàng)造新的增長(zhǎng)空間。Power-SOI和氮化鎵均可滿足智能化、節(jié)能化和高可靠的集成電路對(duì)于綜合高壓和模擬功能的要求，以便廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)中心、汽車和工業(yè)市場(chǎng)。

Bernard Aspar博士

功率轉(zhuǎn)換是電子系統(tǒng)中的一種不可或缺的功能，其形式多種多樣，包括電池、墻壁插座、能量收集、太陽(yáng)能等。功率轉(zhuǎn)換裝置可以使電源適應(yīng)電子系統(tǒng)的特定需要（電壓、電流、交流或直流等）。智能電源技術(shù)可以使功率轉(zhuǎn)換級(jí)、安全功能（溫度或過(guò)載控制）、遠(yuǎn)程控制和其他模擬和數(shù)字功能集成在一起。其優(yōu)點(diǎn)包括減小尺寸、提高效率和降低成本。Soitec的SOI產(chǎn)品提供了出色的電隔離，非常適合于集成在不同電壓下工作的器件中，同時(shí)減少了芯片面積，提高了可靠性。

關(guān)于氮化鎵外延片，Bernard Aspar博士認(rèn)為，氮化鎵作為一種寬帶隙材料，在器件級(jí)比傳統(tǒng)半導(dǎo)體具有更高的效率和功率密度；在系統(tǒng)級(jí)，這些好處意味著減小體積、降低功耗和成本。

Soitec的氮化鎵外延片是一種復(fù)合（Al，In，Ga）N多層結(jié)構(gòu)，通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）在硅或碳化硅襯底上外延生長(zhǎng)。所得到的GaN/Si和GaN/SiC外延片被用于制造電子器件，與現(xiàn)有技術(shù)相比，在RF功率密度、功率開關(guān)效率、傳感器魯棒性和靈敏度方面具有更高的性能。

其最新的（Al，Ga）N/GaN異質(zhì)外延層結(jié)構(gòu)是在硅或半絕緣碳化硅襯底上無(wú)裂紋沉積的。（111）硅襯底的直徑不超過(guò)200毫米，碳化硅襯底的直徑不超過(guò)150毫米。

RF功率、功率開關(guān)和傳感器用異質(zhì)外延層結(jié)構(gòu)

優(yōu)化的緩沖層設(shè)計(jì)可用于RF和高壓應(yīng)用，提供低泄漏電流、高擊穿電壓、低色散和RF損耗，且晶圓弓始終較低。各種覆層（cap）和勢(shì)壘組合可以支持差異化，包括原位SiN表面鈍化，與基于Si和GaAs的產(chǎn)品相比，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的器件性能和可靠性。

EpiGaN-HV是用于功率開關(guān)的GaN-on-Si外延片，是在（111）硅襯底上無(wú)裂紋沉積的（Al，Ga）N/GaN異質(zhì)外延層結(jié)構(gòu)，適用于功率開關(guān)應(yīng)用。Soitec提供具有原位SiN鈍化或GaN覆層的d模式HEMT（高電子遷移率晶體管）結(jié)構(gòu)和帶有p-GaN覆層的e模式HEMT結(jié)構(gòu)。

定制的勢(shì)壘和覆層設(shè)計(jì)以及適合200V和650V電源開關(guān)應(yīng)用的層結(jié)構(gòu)可供選擇。專有的高壓緩沖設(shè)計(jì)提供低泄漏電流、高擊穿電壓、低色散和始終如一的低晶圓弓。

標(biāo)準(zhǔn)層規(guī)格

特性說(shuō)明

電氣規(guī)格（d模式）

總之，EpiGaN-HV的主要特點(diǎn)包括：在原位鈍化方面，具有卓越的動(dòng)態(tài)性能、優(yōu)良的材料穩(wěn)定性、最先進(jìn)的設(shè)備可靠性、高晶圓間均勻性、與硅晶圓生產(chǎn)線兼容）；使用150毫米和200毫米（111）硅；弓度小于50 μm；具有良好的均勻性、晶體質(zhì)量和層厚及組合物。其典型應(yīng)用包括：電源/USB充電器、無(wú)線電源、EV/HEV和光伏等。

Bernard Aspar博士說(shuō)：“芯片制造商已開始轉(zhuǎn)向III-V復(fù)合材料，以解決開關(guān)速度或帶隙需求等緊迫挑戰(zhàn)。Soitec復(fù)合襯底提供了無(wú)需折衷的解決方案。”利用標(biāo)準(zhǔn)Smart Cut? 技術(shù)，Soitec提供專為客戶定制的工程襯底?！袄?，我們可以將薄層的晶體材料從氮化鎵或InGaN（氮化鎵銦）或磷化銦（InP）轉(zhuǎn)移到另一種襯底上，以產(chǎn)生高質(zhì)量、成本有效的晶圓，”他說(shuō)。

與獨(dú)立的氮化鎵相比，氧化鎵基氮化鎵（GaNoX）提供了同樣的晶體質(zhì)量，但在很大程度上降低了價(jià)格。由于采用智能切割工藝和施主（donor）晶圓刷新能力，功率器件可以直接在GaNoX上構(gòu)建，避免了使用硅基氮化鎵時(shí)需要生長(zhǎng)厚的數(shù)微米緩沖層的額外步驟。

此外，GaNoX優(yōu)越的晶體質(zhì)量允許更高的工作電壓，使其適用于廣泛的應(yīng)用，與高達(dá)1200V的碳化硅相比，具有誘人的性價(jià)比，適用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、消費(fèi)電子、適配器、電動(dòng)出行、功率因數(shù)校正（PFC）級(jí)、PC電源、太陽(yáng)能和照明，以及5G和其他RF器件等應(yīng)用。

半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)InP的需求也在持續(xù)增長(zhǎng)。然而，高價(jià)格和這類襯底的脆性限制了InP的應(yīng)用。作為一種低成本、150毫米的替代品，Soitec開發(fā)出具有獨(dú)立InP晶體特性的復(fù)合襯底——砷化鎵基磷化銦（InPoGaAs）和鍺基磷化銦（InPoGe），提供了GaAs或Ge的穩(wěn)健性。這類襯底的應(yīng)用非常廣泛，例如，InPoGaAs是制造多結(jié)CPV太陽(yáng)能電池的首選襯底，創(chuàng)造了CPV電池轉(zhuǎn)換效率46%的世界紀(jì)錄；InPoGaAs還適用于PIN二極管等光子學(xué)應(yīng)用，InP的活性層是現(xiàn)成的，使得光子結(jié)構(gòu)可以建立在這些具有成本效益和且堅(jiān)固的襯底上；InPoGe襯底具有高銦含量，可抵抗輻射，其晶圓非常適合太空太陽(yáng)能應(yīng)用。

碳化硅應(yīng)用成本問(wèn)題即將迎刃而解

再回到碳化硅。與傳統(tǒng)硅IGBT器件相比，基于Smart CutTM的碳化硅襯底具有非常大的性能提升。首先，碳化硅主要應(yīng)用在逆變器中。逆變器是純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的核心部件，基于碳化硅的逆變器，其尺寸可減小50%，進(jìn)而減輕重量。此外，而且碳化硅耐高溫、耐高壓，所以性能非常穩(wěn)定，使用壽命也更長(zhǎng)。

基于Smart Cut? 的碳化硅襯底優(yōu)異的質(zhì)量和性能

Smart CutTM 碳化硅技術(shù)具有很多優(yōu)勢(shì)，首先可以使用和回收高品質(zhì)碳化硅襯底，解決碳化硅供應(yīng)量小的問(wèn)題，有助于在循環(huán)使用過(guò)程中保證供應(yīng)鏈穩(wěn)定性；在襯底質(zhì)量方面，顯著降低了缺陷密度，使白片數(shù)量更多；更低的襯底垂直比導(dǎo)通電阻有助于降低整體器件導(dǎo)通電阻，在提高性能的同時(shí)縮小尺寸（每片晶圓出更多片芯）；還可以簡(jiǎn)化器件制造流程。

去年，Thomas Piliszczuk博士曾說(shuō)，Soitec在采用新技術(shù)降低成本，努力提高產(chǎn)量，碳化硅應(yīng)用的成本問(wèn)題不久將會(huì)解決。最近他表示：“基于Smart CutTM的碳化硅解決方案項(xiàng)目進(jìn)展順利，項(xiàng)目仍在研發(fā)階段，很快就會(huì)向客戶提供第一批樣品。”

他相信，基于Smart CutTM技術(shù)的碳化硅晶圓能為客戶提供更高的良率、更優(yōu)的能效表現(xiàn)，有利于客戶縮小片芯尺寸，增加每片晶圓上的片芯數(shù)量。因此，Soitec能夠?yàn)榭蛻籼峁└玫目傮w擁有成本，還可以通過(guò)Smart CutTM讓部分優(yōu)質(zhì)晶圓重復(fù)使用，從而提高產(chǎn)能。目前是針對(duì)150毫米晶圓的全新解決方案，未來(lái)將向200毫米的方向邁進(jìn)，讓芯片成本進(jìn)一步降低。

使用Smart CutTM切割技術(shù)的碳化硅晶圓片薄如蟬翼

他還表示：“汽車行業(yè)對(duì)我們的Smart CutTM碳化硅解決方案非常有興趣。在全球汽車行業(yè)，不管是做設(shè)備的、做模塊的，還是整車廠都在探討在下一代電動(dòng)汽車中大規(guī)模使用碳化硅的問(wèn)題，希望未來(lái)能夠獲得更多碳化硅晶圓。他們關(guān)注的焦點(diǎn)恰恰是良率、產(chǎn)能和質(zhì)量，而這正是我們的專長(zhǎng)所在?！?

除了襯底方面的進(jìn)展，器件的設(shè)計(jì)和量產(chǎn)同樣在努力降低成本。中國(guó)一家領(lǐng)先的碳化硅IDM廠商（不便透露公司名）根據(jù)自己的研發(fā)路線圖，對(duì)其SiC產(chǎn)品成本也做出了一個(gè)大膽的預(yù)測(cè)，如果真是這樣，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)好消息。

1200V碳化硅SBD成本走勢(shì)預(yù)測(cè)

1200V的碳化硅MOSFET成本走勢(shì)預(yù)測(cè)

動(dòng)力來(lái)自源頭

作為功率半導(dǎo)體的上游材料供應(yīng)，優(yōu)化襯底和SiC等寬禁帶器件的量產(chǎn)將有助于成本的下降，為未來(lái)功率電子產(chǎn)品的創(chuàng)新帶來(lái)機(jī)遇。我們期待，Soitec的碳化硅襯底和氮化鎵外延片將為未來(lái)電動(dòng)汽車的逆變器系統(tǒng)提供更強(qiáng)勁的動(dòng)力，助力實(shí)現(xiàn)連網(wǎng)、自主、共享和電動(dòng)的汽車大趨勢(shì)。