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进入超摩尔时代,半导体材料和工艺必将迎来功能的多样化

2019-10-09 09:32
来源: 与非网

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。

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