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5G射频频谱的极致延伸,绝缘硅已无力独自承担

时间:2019-09-29 作者:邵乐峰 阅读:
“我们的目标不是要终结硅基材料时代,但至少要颠覆行业的材料使用。”Thomas Piliszczuk在北京接受媒体采访时表示,SOI已不再是一个小众市场,公司业务范围正逐渐扩大至新兴材料中。

法国Soitec半导体公司日前公布了截止至2019年6月30日的2020财年第一季度财报。数据显示,公司2020财年第一季度收入1.19亿欧元,与2019财年第一季度相比增长30%,200mm晶圆销售量与上一财年同期相比增长12%,300mm晶圆销售量与上一财年同期相比增长32%。ZpZEETC-电子工程专辑

Soitec首席执行官Paul Boudre认为是RF-SOI、Power-SOI和光学-SOI晶圆销售的持续走高推动了公司的业绩增长。与此同时,通过3000万欧元收购欧洲氮化镓(GaN)外延硅片材料供应商EpiGaN,也成功拓展了Soitec的优化衬底产品组合,使其不再止步于绝缘硅,从而获得了为射频、5G及功率系统提供增值产品的机会.ZpZEETC-电子工程专辑

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5G带来的新机会

从技术角度来看,RF-SOI是专为射频前端模块设计的先进工艺,在4G/LTE,包括即将到来的5G应用中,是众多天线开关、天线调谐器、低噪声放大器(LNA)和功率放大器的首选技术,并从2012开始快速取代传统用于射频器件的GaAs材料。ZpZEETC-电子工程专辑

目前,100%智能手机的射频前端模块均基于RF-SOI设计制造,甚至已经成为了天线开关、调谐器和低噪声放大器的行业标准。通过将多个RF组件高度集成在一颗芯片上,RF-SOI满足了4G和5G所需要的RF性能,并显著降低了设备成本和器件尺寸,这对IOT类型的应用也至关重要。ZpZEETC-电子工程专辑

当前,RF-SOI市场产量约为150万片,这样的产能在10年前是无法想象的。同时,FD-SOI也已经成为毫米波(mmWave) RF-CMOS连接和高能效电池供电设备的首选技术,三星和GlobalFoundries都已推出针对5G mmWave应用的FD-SOI产品。ZpZEETC-电子工程专辑

Soitec全球战略执行副总裁Thomas Piliszczuk将5G列为Soitec产品(包括FD-SOI、RF-SOI、Photonics-SOI、POA和其它具有III-V族材料)最大的增长机会之一。如前所述,由于RF-SOI为射频前端模组带来了独特的RF特性,例如RF信号线性、低插入损耗、较小尺寸、高集成、低成本,目前还没有其他技术能够提供类似的价值。而FD-SOI是一个多功能平台,可将数字、模拟、射频和高压等多种功能集成到单个片上系统中,从而服务汽车和物联网市场,并有可能渗透智能手机等其他市场,用于毫米波射频收发器。ZpZEETC-电子工程专辑

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除了SOI,还有什么?

然而尽管SOI产品占Soitec业务的95%左右,但Soitec一直在计划将其业务扩展至SOI之外的相关领域。ZpZEETC-电子工程专辑

“我们的目标不是要终结硅基材料时代,但至少要颠覆行业的材料使用。”Thomas Piliszczuk在北京接受媒体采访时表示,SOI已不再是一个小众市场,公司业务范围正逐渐扩大至新兴材料中。例如利用EpiGaN的硅基氮化镓(GaN-on-silicon)和碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)外延片,Soitec可以在sub-6GHz基站及手机的功率放大器市场上占有一席之地。鉴于GaN在功率晶体管设计中的应用,收购EpiGaN还将为Soitec现有的Power-SOI产品创造新的增长空间。他预计未来五年内,GaN技术的市场应用规模将达到每年50万至100万片晶圆。ZpZEETC-电子工程专辑

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此外,利用硅基铟氮化镓(InGaNOS)制造MicroLED,可满足未来对高分辨率、低功耗硬件设备显示屏/显示器的需求;而碳化硅(SiC)在电动汽车关键部件(如换流器、逆变器)中的使用,可以显著提高汽车的巡航距离。ZpZEETC-电子工程专辑

Soitec还同时宣布增加其新型压电衬底(POI)产能,用于构建最新一代的4G/5G表面声波(SAW)滤波器。POI是通过Soitec独家技术Smart Cut打造的创新型优化衬底,以高阻硅作为基底,上覆氧化埋层,并以一层极薄且均匀的单晶压电层覆盖顶部。考虑到要实现高速数据传输,4G和5G网络需要使用更多的频带。因此,智能手机必须集成更大量且性能更佳的滤波器,以确保信号完整性及通信可靠性。例如,4G时代滤波器数量约在60-80个,5G时代滤波器数量将达到120-150个,而基于POI优化衬底,新型SAW滤波器能够提供内置温度补偿,并可实现在单芯片上集成多个滤波器。 4.jpgZpZEETC-电子工程专辑

但新材料的高成本是Soitec首先需要解决的问题,公司也意识到了这一点。以氮化镓为例, Soitec除了继续把EpiGaN的外延片生产从6英寸转为8英寸,并扩大在比利时哈瑟尔特的EpiGaN生产规模外,还将其Smart Cut工艺应用于GaN或InP之上,使之可以将一层薄薄的晶体材料从GaN或InP供体衬底转移到另一个衬底,以生产出具有成本效益的化合物半导体晶圆ZpZEETC-电子工程专辑

FD-SOI的这几年

“很欣喜地看到整个SOI产业生态环境这7年来发生了巨大变化。我记得第一届论坛召开的时候,参会人员只有50多人,一张相片就装满了,而这次采取了邀请制还有400多人参加。”SOI产业联盟董事长与执行理事Carlos Mazure博士不久前参加了第七届上海FD-SOI论坛。他表示,联盟和论坛在中国会起到一个连接的作用,能够将国际社区和中国社区实现一个互通。如果说中国的行业发展有任何的空缺的话,我们希望能够通过我们的努力让空缺有所填补,去推动中国的整个生态环境向更好更高级的方向发展。ZpZEETC-电子工程专辑

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SOI产业联盟董事长与执行理事Carlos Mazure博士ZpZEETC-电子工程专辑

在回顾这7年来SOI技术在全球和中国的发展情况时,他指出整个产业生态的进化,必须首先源于基础设施建设的完成。而所谓的基础设施建设,是指包括晶圆、代工厂、EDA、设计平台、IP等在内的全流程要素,然后再由设计公司牵头将所有要素整合在一起。ZpZEETC-电子工程专辑

Carlos说如果倒回到2014-2015年,那时大家讨论的重点是供应链是否建设好了?衬底生产制造能力是否足够?晶圆代工厂能否找到?从2016年开始,人们讨论的重点已经转移到能否获取IP、设计库、并得到EDA和设计平台的支持。而现在,行业的关注点已经从供应链建设逐渐转移到产品本身。ZpZEETC-电子工程专辑

目前,三星在28FDS工艺基础上推出了全新的18FDS工艺,据称性能相比28FDS提升17%,相同性能水平下功耗降低55%,芯片面积下降25%;格芯2019年FD-SOI产能爬坡,预计在年底前会出货一亿片22FDX芯片,并有计划尽快实现12FDX的量产。目前该公司22FDX出货产品类型有26种,其中50%以上来自中国客户。此外,ST 28FD-SOI工艺和瑞萨独有的SOTB技术,也都给行业带来了独特的价值。但Carlos强调的是,技术本身并不是最重要的,应用在那种产品或是能通过应用带来怎样的革新,才是最需要加以关注的。ZpZEETC-电子工程专辑

不过,随着工艺的不断演进,SOI技术会遇见主流CMOS工艺所遇见的瓶颈吗?Carlos博士认为随着工艺节点的不断缩小,这种结果是不可避免的,但SOI技术更关注的是怎样将混合信号、射频和计算能力进行一个整合。另一方面,IoT市场正变得越来越大,有很多细分行业,不同工艺的技术节点都会存在,以适应不同的市场需求,其驱动力不会只来自FinFET工艺。ZpZEETC-电子工程专辑

“中国是FD-SOI最重要的市场”、“FD-SOI也是中国最关键技术之一”,Carlos博士对此也持相同观点。他认为中国企业可以受益于第一波应用者,例如ST、NXP、SONY等公司的开发成果,再去把应用提升到一个新的层次,这就是“smart followers”。在前人的基础上,“smart followers”会更加成熟和理智。ZpZEETC-电子工程专辑

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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