汽车、5G、大数据诸多新型应用给半导体材料带来发展契机

半导体技术的发展也伴随着半导体材料的发展，半导体材料材料被划分为一、二、三代，其中第一代半导体材料是以硅（Si）为代表，第二代以砷化镓（GaAs）为代表，第三代则是以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等为代表。新一代的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）被称为宽禁带（WBG，wide bandgap）半导体材料，它们在制造高温、高频、抗辐射及大功率器件方面有优势，它们能够满足对更高能效能量转换系统迫切需求。

新材料的应用对于半导体厂商来讲也酝酿了更多发展机会。Filippo Di Giovanni先生认为，这些系统的发展机会很大一部分存在于我们的日常生活中。一些常见的典型应用案例，比如，耗电量大的数据中心、各种各样的充电器、即将取代内燃机的电动汽车的牵引电机变频器等。在这些应用中，能效的提高都会减少石油、煤炭等传统能源消耗产生的二氧化碳。新材料还推进再生能源大规模应用，例如，宽禁带功率半导体可以让太阳能和风力发电的效率更高。

另一方面，5G技术商用将被列为科学技术和工业的一次长足发展。随着基于5G的物联网（IoT）部署应用，万物互联网（IoE，Internet of Everything ）大规模普及，数十亿的用户、机器和设备能够实时共享大量的数据、高分辨率图像和高清视频流，远程手术、自动驾驶汽车、无人机送货和许多其他具有挑战性的应用将从概念变为现实。除人工智能（AI）和机器学习外，这些发展成果仍将归功于处理性能更高、带宽更高和延迟短的新材料（包括GaN on silicon 和GaN on SiC射频器件）。

20世纪90年代初，意法半导体从2吋晶圆开始一直在开发和推出SiC MOSFET晶体管和二极管，经过多年长期投资，ST获得了相关核心制造工艺的关键专利。无论是在外延层、边缘端接设计，还是栅极氧化层等方面，ST的高压晶体管和二极管制造专长帮助SiC开发成功，功不可没。如今ST已借势发展成为新兴电动汽车（EV）行业的重要SiC供应商，以后仍将致力于开发5G基站和功率开关用硅上GaN器件。ST 拥有SiC创新解决方案，STPAK主要用于电动汽车牵引系统的主逆变器，HU3PAK 主要用于电动汽车车载充电， DC－DC 变频器。除此之外，ST的SiC产品用于电动汽车车载充电、工业驱动、光伏等应用中，GaN应用于5G通信的通信塔中。

ST的STPAK产品

ST的HU3PAK产品

5G是新材料发展的催化剂，但新旧材料将一齐发挥作用

虽然第三代半导体有着诸多技术优势， SiC和GaN在禁带宽度、击穿电场、抗辐射能力等方面表现优异，但是发展速度不是很快，究其原因，Filippo Di Giovanni分析，我们注意到汽车电汽化领域越来越看好SiC MOSFET和二极管，电动汽车企业想要从电池组中“榨出”更多的续航里程，缩短充电时间并提高能源效率，从而降低冷却系统的成本、尺寸和重量。 这就是为什么客户选择用SiC产品来取代现有的硅解决方案（IGBT）。 为此，ST一直并将继续大力投资晶圆产能。我们还认为，大多数汽车制造商基本上都将推出轻混车型，轻混汽车市场的爆发，将为功率转换用高压（650V）GaN和低压（100V）GaN两种应用的发展提供动能。

关于新旧材料的替换，业界也在一直争论不休，有人认为，未来SiC和GaN等新型材料会完全取代Si材料，有的人认为，Si材料在短期内无法被完全替代。 Filippo Di Giovanni表示，要求较高的应用领域，例如，电动汽车、快速充电桩和5G基站，已经开始采用新材料，甚至广泛应用新材料。当然，新材料应用是不可能一蹴而就的，根据最终用途的不同，有些客户看重的是成本，而不是性能。我们认为，汽车是推动SiC应用的主要动力，而5G将催化硅和SiC衬底GaN晶体管的发展。

虽然SiC和GaN是大规模市场的主流半导体材料，但GaAs（砷化镓）仍然在移动设备前端模块中发挥重要作用，主要用于6GHz以下功率放大器（PA）。在射频电路中，前端模块（FEM）是指天线和发射器／接收器（收发器）之间的所有器件，包括开关、滤波器、低噪放大器（LNA）和功放（PA）。

超摩尔时代，必将迎来半导体功能的多样化

摩尔定律是英特尔的创始人之一戈登·摩尔提出的。在过去的数十年里，摩尔定律一直是微电子行业的发展动力，推动半导体市场成倍增长，取得长足的发展。在一颗芯片中集成数量更多的晶体管，可以大大降低给定功能的成本。高集成度电路实现了更加复杂的数字电路和存储器，引发并推动计算和通信等领域的科技革命。现在，随着原子级晶体管的出现，通过缩小晶体管尺寸，使芯片上晶体管数量每18－24个月翻倍的可能性即将结束。虽然不像某些数字产品那样依赖于尺寸缩小的功能，但某些应用和产品，如：射频器件、电源管理系统、传感器、执行器和MEMS（微机电和传感器），在当今的半导体中扮演着同样重要的角色。

为解决其他应用和产品需求，业界提出了新的超摩尔定律（MtM），即通过集成异构技术来创建复杂系统的可能性。超摩尔趋势的特征之一是半导体功能的多样化。现在非数字电路功能有助于设计小型化，即使不按照数字电路的方式和速度缩减尺寸，同样有助于小型化。除了整合更多智能功能外，超摩尔还在可穿戴设备中支持系统与外部世界和用户交互，这意味着非数字功能将从系统板级转移到芯片封装（SIP）内或芯片（SOC）上。例如，新技术允许在硅衬底上集成GaN和CMOS，实现RF和混合信号电路，充分利用WBG器件的卓越性能。

环境变化持续推动新工艺的发展

新的制造工艺和技术可以在应对当今全世界面临的最严峻的挑战－－全球气候变化方面发挥关键作用。 下一代无线通信（5G）将是支撑物联网发展的基础和支柱，并将会催化出更多的应用平台，改变我们的办公、生产、沟通和生活方式，给我们带来非常多的新机遇。

与单纯的硅器件相比，高掺杂度SiC器件的电场更强，导致栅极电介质上出现一个电应力，这需要实现特殊的屏蔽结构和改进电介质 － 半导体界面。 电介质 － 半导体界面的改进也有利于改善迁移率，并因此降低导通电阻。

在Filippo Di Giovanni看来，材料的硬度和透明度不仅是处理和加工晶圆片的挑战，还是衬底基材质量的挑战。为此，我们下大力气来与衬底供应商一起分析所有缺陷根源，发现并消除可能影响良率的因素。最后，从设备调整和衬底重新测试角度来看，4吋到6吋的升级是一项巨大且繁重的工作。