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进入 21 世纪以来，摩尔定律的失效大限日益临近，人工智能、5G、自动驾驶等新应用的兴起，对芯片性能提出了更高的要求，同时也推动了半导体制造工艺和新材料不断创新，工艺节点从 28nm 到 10nm 只经过了短短的五年，第三代半导体 GaN 和 SiC 的应用范围越来越广，据 Yole 预测，2021 年全球 SiC 市场规模将上涨到 5.5 亿美元，GaN 市场将达到 3 亿美元。
未来，在半导体领域，新材料和新工艺发展前景如何？会在哪些领域发挥越来越重要的作用？半导体领域的材料厂商、芯片厂商会迎来哪些新机遇？
针对新材料和新工艺的发展，与非网策划了《超摩尔时代的半导体工艺、材料创新》专题，本期讨论我们特邀意法半导体新材料和电源解决方案部创新和关键项目战营销总监 Filippo Di Giovanni 先生来参与讨论。
意法半导体新材料和电源解决方案部创新和关键项目战营销总监 Filippo Di Giovanni
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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