正如Soitec中国区销售总监陈文洪在接受记者采访时候所说，因为智能手机、汽车和物联网市场的火热，SOI晶圆在未来几年会有巨大的成长机遇。

“首先在智能手机方面，因为现在正处于从4G往5G升级的阶段，这就带来了更多的射频机会；其次在汽车领域，随着新能源和智能汽车渐成主流，便创造了更多传感器和BCD器件需求；来到物联网市场，因为其应用特性，便对器件的低功耗有了严格的限制。”陈文洪接着说。

“以上场景都是SOI晶圆的机会”，陈文洪强调。

SOI越来越火，Soitec走上舞台中心

所谓SOI，也就是Silicon On Insulator的简称，也就是硅晶体管结构在绝缘体之上的意思。从原理上看，SOI就是在顶部的硅器件层下方加入一层绝缘体层，从而使相邻的硅晶体管分离。这样可将相邻晶体管之间的寄生电容减少一半。SOI的优点是可以较易提升时钟频率，并减少电流漏电，帮助打造更为省电的IC。同时，因为SOI晶圆本身衬底的阻抗值的部分也会影响到器件的表现，因此后来也有公司在衬底上进行阻抗值的调整，达到射频器件特性的提升。

在先驱们的探索下，SOI晶圆在射频、功率和硅光等多个领域发挥着越来越重要的作用，而成立于1992年的Soitec无疑是当中的一个专家。作为一家专注于半导体材料的领先企业，Soitec拥有包括Smart CutTM技术、外延技术和智能堆叠技术在内的三项核心技术和专业工程材料。正是这些技术的推动下，Soitec成长为全球最大的“优化衬底”供应商。其中，Smart Cut技术更是能让Soitec可以领先全球的根本。

利用这项技术，它曾实现了原有的硅等材料衬底的量产和高良率，因此材料领域等上下游厂商认为，将这项技术应用到碳化硅生产中，或有望为良率的提升提供新思路。

我们主要使用Smart Cut技术将碳化硅晶圆体进行精准切割，将他们切割成超薄单晶碳化硅层，再将切割后的超薄单晶碳化硅层放置在其他的材料之上，而形成了一个全新的结构，但是这个结构和我们纯的碳化硅的材料相比将会带来同样或更好的电气性能。这样，我们可以增加良率并提高性能。通过切割碳化硅晶圆成10个或更多超薄单晶碳化硅层，我们将一个碳化硅晶圆制作出10个或更多碳化硅。

Soitec目标在2020年年中实现基于Smart Cut技术的碳化硅衬底样品的制造完成，并于2021年上半年实现基于Smart Cut技术的碳化硅产品量产。

碳化硅与半导体碰撞，大规模商用之路可期

说起碳化硅材料，它的应用范围十分广泛。目前业内普遍认为，对于碳化材料来说，半导体行业是其发展潜力最大和产业附加值最高的应用方向，而对于未来新兴的新能源汽车和5G市场所要用到的基本原器件来说，碳化硅也是满足其性能的最佳材料选择。

与硅晶体相比较来看，碳化硅的优势其实非常明显，因为它能够提供更高的功率密度，这样我们的使用效率会更高，设备的尺寸会更小，相应来看电池体积也会更小，这是非常吸引客户的优点。

Thomas举例介绍表示，与传统逆变器模块相比较，使用碳化硅材料的逆变器模块电池效能提高了10%，与此同时，它可以将电池体积缩小30%。

除此之外，在射频的应用方面，碳化硅也有非常明显的优势，特别是可以提供更好的散热（temperature dissipation）性能，这点在基站的建设上非常重要。

如Thomas所言，在未来行业发展过程中，不管是电动汽车的制造和生产，还是在射频和5G的应用上面，碳化硅的优势会非常明显地体现在产品端。因此它也吸引了一大波厂商的参与。

以汽车产业链来看，意法半导体、英飞凌、安森美等器件设计制造厂都在基于碳化硅衬底做大胆的尝试，下游的汽车制造厂，如特斯拉，它也已经采用了碳化硅材料，还有大众、比亚迪等车厂，它们在碳化硅的技术和使用上都有非常宏大、长远的路线。

SOI多线出击，硅光成为下一个爆发点

从相关介绍可以看到，过去三十多年的SOI发展中，在包括Soitec在内的产业链上下游企业的努力下，行业内已经延伸出了丰富的SOI产品组合，包括FD-SOI、RF-SOI、Power-SOI、Photonics-SOI、Imager-SOI。同时也推出了非SOI产品 ，包括POI、氮化镓等。这些产品在各自的领域也各具优势。

如 FD-SOI可通过简单的模拟/射频整合，可灵活用于高性能和低功耗的数字运算，主要应用在智能手机、物联网、5G、汽车等对于高可靠性、高集成度、低功耗、低成本的应用领域；RF-SOI可应用于射频前端模块，目前已经成为智能手机的开关和天线调谐器的最佳解决方案；Power-SOI致力于智能功率转换电路；Photonics-SOI则能应用于数据中心、云计算等光通信领域；Imager-SOI能满足下一代图像传感器要求。POI是可用于滤波器的新型压电衬底。

在上述的多个领域，Soitec都拥有其独到的优势。而在与陈文洪的交流中，他特别强调了SOI将在硅光领域的巨大发展潜力。

过去几年，因为高速网络传输的需求渐增，市场对光芯片需求也水涨船高。在过往，这种器件一般是使用InP技术制造。但后来，因为开发者对相关器件的功耗和尺寸有了越来越多的需求，因此他们都把目光投向了硅光，而SOI就是这个技术的最好赋能者。

据陈文洪介绍，Soitec的Photonics-SOI结合了CMOS平台的优势以及光的优势。他进一步指出，CMOS平台已经发展了几十年，可以很容易地把器件做到高密度，又因为CMOS平台的产能更高。所以借助Photonics-SOI，能够帮助解决产能的瓶颈问题。同时，硅光还综合了光的低损耗、长传输距离、强带宽，且还不受电磁影响等优势。这就让整个器件无论是在什么样的环境，保持极高的稳定性。

据了解，目前，Photonics-SOI 晶圆已经让标准CMOS晶圆厂实现了高速光发射器和接收器芯片的大批量生产，为100GbE（千兆以太网）和 400GbE 数据中心内链路提供了高数据速率和高性价比的收发器解决方案。除了Photonics-SOI 衬底外，Soitec 还提供 Photonics-SOI+EPI 产品。该产品顶部硅层的厚度仅为几微米，目前可用于早期客户样品的开发和小批量生产。除此以外，Soitec 还提供 Photonics-SOI 的定制化服务。

“从趋势上来看，我相信硅光的市场份额会越来越大。预计从2023年起，这种用SOI做的硅光收发器使用量占比会超过传统的InP方案。”陈文洪指出。他同时也强调，即使SOI有如此多的优势，但未来在一定的时间范围内，SOI和InP这两种不同的路线会并行。因为当硅光在追求更高的带宽的研发的同时，一些传统的产品将在未来的一段时间内继续发挥作用。

陈文洪告诉记者，在过去几年里，因为国内厂商对硅光的兴趣度增加，催生了更多的SOI晶圆需求。这再加上和FD-SOI、RF-SOI的需求，倒逼他们去进一步提高SOI晶圆的供应。他指出，Soitec目前在全球共有六个生产基地，包括法国贝宁I、贝宁II、贝宁III、比利时、新加坡，以及与上海新傲科技合作的生产线。目前，Soitec也在积极地扩张产能（特别是12寸的产能）。

起底SOI工艺技术特点

传统MOS结构和SOI MOS结构的主要区别在于：SOI器件具有掩埋氧化层，其将基体与衬底隔离。SOI晶体管是一个平面结构。

SOI MOS的制造工艺与起始硅晶片之外的体MOS（传统MOS）工艺相似。SOI晶片有三层：1. 硅的薄表面层（形成晶体管）；2.绝缘材料的下层；3.支撑或“处理”硅晶片。

掩埋氧化层的基本思想是减少寄生结电容。寄生电容越小，晶体管工作越快。由于BOX层，不存在远离栅极的泄漏路径，这会导致更低的功耗。

通常，SOI器件被分类为部分耗尽（PD）SOI和全耗尽（FD）SOI。与PD-SOI相比，FD-SOI具有非常薄的体结构，因此在运行期间完全耗尽。FD-SOI也称为超薄体SOI。对于PD-SOI，本体为50nm~90nm厚。而对于FD-SOI来说，本体厚约5nm~20nm。

SOI器件的优点：

由于氧化物层隔离，漏/源寄生电容减小。因此，与体CMOS相比，器件的延迟和动态功耗更低。

由于氧化物层，与体CMOS相比，阈值电压较不依赖于背栅极偏置。这使得SOI器件更适合于低功率应用。

SOI器件的次阈值特性更好，漏电流较小。

SOI器件没有闩锁问题。

SOI器件的缺点：

PD-SOI器件的缺点之一是它们具有历史效应。在PD-SOI中，随着身体变厚，浮体是明显的。因此，体电压取决于器件的先前状态。这种浮体电压可以改变器件的阈值电压。这可能导致两个相同晶体管之间的显着失配。

SOI器件的另一个问题是自热。在SOI器件中，有源薄体在氧化硅上，这是绝热材料。在操作期间，有源区域消耗的功率不能轻易消散。结果，薄体的温度升高，这降低了器件的迁移率和电流。

FD-SOI的挑战之一是制造薄体SOI晶片困难。

FinFET与SOI哪个更好？

由于SOI技术非常接近平面体硅技术，对Fab无需太多投资。因此，现有的bulk技术库可以轻松地转换为SOI库。SOI对FinFET的另一个优点是具有良好的背栅极偏置选项。通过在BOX下面创建后门区域，可以控制V t。这使其适用于低功率应用。

SOI技术的主要限制是：晶片的成本高于体硅晶片，因为它非常难以控制整个晶圆上的锡硅膜。SOI推广的另一个绊脚石是有限数量的SOI晶圆供应商。英特尔公司称，SOI晶圆占总工艺成本的10％左右。

与SOI相比，FinFET具有更高的驱动电流。此外，在FinFET中，应变技术可用于增加载流子迁移率。

FinFET的缺点之一是其复杂的制造工艺。英特尔公司称，FinFET制造的成本比体硅增长2-3％。

英特尔于2012年在Ivy-Bridge处理器的22nm节点推出了Trigate FET。提供FinFET技术的其他代工厂是台积电、Global Foundries和三星。2014年，台积电发布了其首款功能齐全的、基于ARM的16nm FinFET技术的网络处理器。

意法半导体于2012年在28nm技术上发布了其首款用于移动处理器的FD-SOI芯片。提供FD-SOI技术的厂商是IBM、Global Foundries和三星。另外，AMD的部分处理器，PowerPC微处理器和索尼的PlayStation也采用了SOI技术。

未来的技术走向

FinFET和SOI结构都具有更好的栅极控制和更低的阈值电压，更少的漏电。但是，当我们转向低于10nm节点的低技术节点时，再次出现漏电问题，这会导致许多其他问题，如阈值平坦化，功率密度增加和散热。

FinFET结构在热耗散方面效率较低，因为热量很容易积聚在翅片上。这些问题可能导致一类新的设计规则 - Thermal Design，不像其他设计规则，如“可制造性设计”。随着这些器件即将到来，eInfochips正在与Academia合作，提供潜在的解决方案，包括修改器件结构，用新材料替换现有的硅材料。其中，碳纳米管（CNT）FET，具有复合半导体的栅极全能纳米线FET或FinFET可能在未来的技术节点中被证明是有前景的解决方案。

此外，近些年，三星电子、台积电在半导体工艺上一路狂奔，互不相让，一直是行业关注的焦点。前些天，在美国举行的三星工艺论坛SFF 2018 USA之上，三星更是宣布将连续进军5nm、4nm、3nm工艺，直逼物理极限！

根据三星的规划，其4nm工艺仍会使用现有的FinFET制造技术，但到了3nm工艺节点，三星便开始抛弃 FinFET 技术，转而采用GAA（Gate-All-Around）纳米技术。

Gate-All-Around就是环绕栅极，相比于现在的FinFET Tri-Gate三栅极设计，将重新设计晶体管底层结构，克服当前技术的物理、性能极限，增强栅极控制，性能大大提升。

三星的GAA技术叫做MBCFET(多桥通道场效应管)，正在使用纳米层设备开发之中。

文章来源： 半导体行业观察，兆恒机械，镁客网