的確，伴隨近年來5G的部署，汽車產業(yè)出現(xiàn)了互聯(lián)網化、自動化、共享化、電動化的“CASE”四化趨勢。隨著消費者對汽車安全、舒適、便利和娛樂要求的提升，汽車將逐步走向電動化、智能化和網聯(lián)化，并將推動微處理器、存儲器、功率器件、傳感器、車載攝像頭、雷達等廣泛應用，促使汽車半導體的用量不斷提升，為功率半導體產業(yè)的上下游供應鏈帶來了機遇，同時也帶來了很多挑戰(zhàn)。

事實上，下游客戶的創(chuàng)新需求首先要由最基礎的半導體材料來滿足，只有他們在晶圓制造方面提供了應用某種技術的可能性，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。

作為設計和生產創(chuàng)新性半導體材料的企業(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，對硅、碳化硅、藍寶石襯底（生長外延層的潔凈單晶薄片）等各種半導體材料進行切割，其優(yōu)化襯底已經非常成熟，一年來該公司更將重點轉向了5G和汽車行業(yè)的戰(zhàn)略布局，特別是在開發(fā)第三代寬帶隙半導體材料方面獲得了長足進展

何為襯底、晶圓？

晶圓是制作集成電路用的晶片，各種電路元件結構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入晶圓制造環(huán)節(jié)生產半導體器件，也可以進行外延工藝加工生產外延片。外延是在單晶襯底上生長的一層新的單晶，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用的價值鏈

汽車產業(yè)的功率半導體機遇

汽車行業(yè)目前的創(chuàng)新大趨勢是四化。到2030年，5G汽車的銷量將超過1600萬輛，L3及以上自動駕駛車型的銷量將達700萬輛，電動汽車銷量將達2300萬輛。這給整個汽車產業(yè)和相關行業(yè)帶來了很多變化。

可以肯定地說，在特斯拉獲得成功之后，汽車產業(yè)已經不再是傳統(tǒng)產業(yè)，它出現(xiàn)了一些結構上的變化，也為相關產業(yè)帶來了許多機會。

汽車行業(yè)趨勢的變遷

Soitec中國區(qū)戰(zhàn)略發(fā)展總監(jiān)張萬鵬認為，汽車創(chuàng)新的關鍵在于互聯(lián)、電動化、自動化、共享的等電子系統(tǒng)的創(chuàng)新。

張萬鵬

他表示，2007年，當時整車成本中電子系統(tǒng)的成本可能只有約20%，預計到2030年將可達到50%。這表明汽車行業(yè)創(chuàng)新關鍵在于電子系統(tǒng)。如果將這些按照CASE來細分，每個部分增長的成本可能會從2%到22%，這將給整個半導體行業(yè)和電子設計行業(yè)帶來更多機會。

汽車創(chuàng)新的關鍵

而對于電動汽車來說，整個動力系統(tǒng)及成本都在發(fā)生變化。功率半導體器件的成本將從200美金增加至450美金，這當中80%的是碳化硅、氮化鎵等功率MOSFET的成本。

不同混動系統(tǒng)對功率器件的需求也不一樣

汽車網聯(lián)、自動化及共享和電動汽車的創(chuàng)新和設計將遇到諸多挑戰(zhàn)，如，怎樣提高汽車能效，從而延長行駛里程；怎樣實現(xiàn)汽車的優(yōu)化通信；怎樣進行整個系統(tǒng)的高效集成，實現(xiàn)有助于自動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。

沒錯，碳化硅的大規(guī)模應用一直受供應量、良率及成本等因素的限制。Soitec與應用材料公司啟動新一代碳化硅襯底聯(lián)合研發(fā)項目旨在通過提供先進技術與產品，提高碳化硅的可用性及性能，突破上述限制，滿足電動汽車、通信及工業(yè)應用領域對碳化硅不斷增加的需求，持續(xù)為行業(yè)創(chuàng)造更高價值。

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，Smart CutTM是自主研發(fā)的技術。通過智能切割，Soitec專利的晶圓鍵合和層分離技術使得將一層薄薄的晶體材料從施主襯底轉移到另一襯底成為可能，克服了物理限制，改變了襯底整個行業(yè)的面貌。

Thomas Piliszczuk博士

據他介紹，從1992年到現(xiàn)在，Soitec都在將Smart CutTM技術用在硅、碳化硅、藍寶石襯底等各種半導體材料，已經積累了豐富的經驗。其優(yōu)化襯底產品有RF-SOI、POI和FD-SOI，廣泛適用于各種應用。

豐富的優(yōu)化襯底組合

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

據了解，Soitec的專利技術Smart CutTM已廣泛應用于SOI（Silicon-On-Insulator，絕緣體上硅）產品生產，保障芯片制造商的材料供應，加上應用材料公司在制程技術與生產設備方面的支持，將在CEA-Leti（法國原子能委員會電子與信息技術實驗室）的襯底創(chuàng)新中心中增加一條碳化硅優(yōu)化襯底實驗生產線。

優(yōu)化襯底助力大規(guī)模應用

Soitec專攻優(yōu)化襯底，其業(yè)務包括幾個部分，一是RF-SOI，主要服務于智能手機市場，5G的發(fā)展給這塊業(yè)務帶來了非常大的促進作用；二是FD-SOI（完全耗盡型絕緣體上硅），特別是針對能效、AI和5G應用；三是特殊SOI，產品主要服務于汽車、人臉識別及數據中心市場，其中Power-SOI主要應用于汽車市場，如電池管理系統(tǒng)、電流傳感器、高頻柵極驅動器、制動器等，滿足汽車市場對能效的要求。

SOI的汽車應用

第四塊業(yè)務是一年前收購的EpiGaN，在技術和運營方面已經實現(xiàn)了EpiGaN協(xié)同增效?，F(xiàn)在EpiGaN生產主要針對RF氮化鎵外延片，同時還在關注應用于功率產品方面的氮化鎵外延片生產。

Power-SOI的應用已在汽車客戶中獲得成功

Soitec全球業(yè)務部高級執(zhí)行副總裁Bernard Aspar博士說，鑒于氮化鎵在功率晶體管設計中的應用，收購EpiGaN還將為其現(xiàn)有的Power-SOI產品創(chuàng)造新的增長空間。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于綜合高壓和模擬功能的要求，以便廣泛應用于消費電子、數據中心、汽車和工業(yè)市場。

Bernard Aspar博士

功率轉換是電子系統(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、太陽能等。功率轉換裝置可以使電源適應電子系統(tǒng)的特定需要（電壓、電流、交流或直流等）。智能電源技術可以使功率轉換級、安全功能（溫度或過載控制）、遠程控制和其他模擬和數字功能集成在一起。其優(yōu)點包括減小尺寸、提高效率和降低成本。Soitec的SOI產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，同時減少了芯片面積，提高了可靠性。

關于氮化鎵外延片，Bernard Aspar博士認為，氮化鎵作為一種寬帶隙材料，在器件級比傳統(tǒng)半導體具有更高的效率和功率密度；在系統(tǒng)級，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合（Al，In，Ga）N多層結構，通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）在硅或碳化硅襯底上外延生長。所得到的GaN/Si和GaN/SiC外延片被用于制造電子器件，與現(xiàn)有技術相比，在RF功率密度、功率開關效率、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異質外延層結構是在硅或半絕緣碳化硅襯底上無裂紋沉積的。（111）硅襯底的直徑不超過200毫米，碳化硅襯底的直徑不超過150毫米。

RF功率、功率開關和傳感器用異質外延層結構

優(yōu)化的緩沖層設計可用于RF和高壓應用，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的產品相比，可實現(xiàn)優(yōu)越的器件性能和可靠性。

EpiGaN-HV是用于功率開關的GaN-on-Si外延片，是在（111）硅襯底上無裂紋沉積的（Al，Ga）N/GaN異質外延層結構，適用于功率開關應用。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）結構和帶有p-GaN覆層的e模式HEMT結構。

定制的勢壘和覆層設計以及適合200V和650V電源開關應用的層結構可供選擇。專有的高壓緩沖設計提供低泄漏電流、高擊穿電壓、低色散和始終如一的低晶圓弓。

標準層規(guī)格

特性說明

電氣規(guī)格（d模式）

總之，EpiGaN-HV的主要特點包括：在原位鈍化方面，具有卓越的動態(tài)性能、優(yōu)良的材料穩(wěn)定性、最先進的設備可靠性、高晶圓間均勻性、與硅晶圓生產線兼容）；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、晶體質量和層厚及組合物。其典型應用包括：電源/USB充電器、無線電源、EV/HEV和光伏等。

Bernard Aspar博士說：“芯片制造商已開始轉向III-V復合材料，以解決開關速度或帶隙需求等緊迫挑戰(zhàn)。Soitec復合襯底提供了無需折衷的解決方案?！崩脴藴蔛mart Cut? 技術，Soitec提供專為客戶定制的工程襯底。“例如，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）轉移到另一種襯底上，以產生高質量、成本有效的晶圓，”他說。

與獨立的氮化鎵相比，氧化鎵基氮化鎵（GaNoX）提供了同樣的晶體質量，但在很大程度上降低了價格。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上構建，避免了使用硅基氮化鎵時需要生長厚的數微米緩沖層的額外步驟。

此外，GaNoX優(yōu)越的晶體質量允許更高的工作電壓，使其適用于廣泛的應用，與高達1200V的碳化硅相比，具有誘人的性價比，適用于電機驅動、消費電子、適配器、電動出行、功率因數校正（PFC）級、PC電源、太陽能和照明，以及5G和其他RF器件等應用。

半導體行業(yè)對InP的需求也在持續(xù)增長。然而，高價格和這類襯底的脆性限制了InP的應用。作為一種低成本、150毫米的替代品，Soitec開發(fā)出具有獨立InP晶體特性的復合襯底——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。這類襯底的應用非常廣泛，例如，InPoGaAs是制造多結CPV太陽能電池的首選襯底，創(chuàng)造了CPV電池轉換效率46%的世界紀錄；InPoGaAs還適用于PIN二極管等光子學應用，InP的活性層是現(xiàn)成的，使得光子結構可以建立在這些具有成本效益和且堅固的襯底上；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能應用。

碳化硅應用成本問題即將迎刃而解

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，碳化硅主要應用在逆變器中。逆變器是純電動汽車動力總成的核心部件，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。

基于Smart Cut? 的碳化硅襯底優(yōu)異的質量和性能

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

去年，Thomas Piliszczuk博士曾說，Soitec在采用新技術降低成本，努力提高產量，碳化硅應用的成本問題不久將會解決。最近他表示：“基于Smart CutTM的碳化硅解決方案項目進展順利，項目仍在研發(fā)階段，很快就會向客戶提供第一批樣品?！?

他相信，基于Smart CutTM技術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量。因此，Soitec能夠為客戶提供更好的總體擁有成本，還可以通過Smart CutTM讓部分優(yōu)質晶圓重復使用，從而提高產能。目前是針對150毫米晶圓的全新解決方案，未來將向200毫米的方向邁進，讓芯片成本進一步降低。

使用Smart CutTM切割技術的碳化硅晶圓片薄如蟬翼

他還表示：“汽車行業(yè)對我們的Smart CutTM碳化硅解決方案非常有興趣。在全球汽車行業(yè)，不管是做設備的、做模塊的，還是整車廠都在探討在下一代電動汽車中大規(guī)模使用碳化硅的問題，希望未來能夠獲得更多碳化硅晶圓。他們關注的焦點恰恰是良率、產能和質量，而這正是我們的專長所在?！?

除了襯底方面的進展，器件的設計和量產同樣在努力降低成本。中國一家領先的碳化硅IDM廠商（不便透露公司名）根據自己的研發(fā)路線圖，對其SiC產品成本也做出了一個大膽的預測，如果真是這樣，對用戶來說無疑是一個好消息。

1200V碳化硅SBD成本走勢預測

1200V的碳化硅MOSFET成本走勢預測

動力來自源頭

作為功率半導體的上游材料供應，優(yōu)化襯底和SiC等寬禁帶器件的量產將有助于成本的下降，為未來功率電子產品的創(chuàng)新帶來機遇。我們期待，Soitec的碳化硅襯底和氮化鎵外延片將為未來電動汽車的逆變器系統(tǒng)提供更強勁的動力，助力實現(xiàn)連網、自主、共享和電動的汽車大趨勢。