半导体工艺发展概述

        集成电路发展到今天，经历从1940年的PN结发现，到1950年BJT三极管发明，再到1963年CMOS电路发明。从单纯基于Si的半导体电路，再到GaAs, GaN，SiGe, InP等化合物半导体集成电路。不断的通过化学材料配比，基本单元的结构革新，以及多种材料融合实现，效率，体积，速度，成本的突破。

1. BIPOLAR工艺
   1950年发明，早期模拟电路广泛使用BIPOLAR工艺，BIPOALR工艺可以做到非常低的漏电，非常低的噪声，但是BIPOLAR最大问题是实现数字电路比较困难，或者占用面积较大。当电路速度较高时候，整体功耗会比较大。所以纯粹的Bipolar电路在大规模高集成电路中使用的越来越少。
    

2. CMOS工艺
   1960年被发明，可以用在数字电路，也可以使用在数模混合电路上。对于超过10Mps以上数模转换的电路，广泛使用CMOS电路，主要是功耗收益比较大，使用CMOS比较容易实现模拟电路和数字电路的集成。
   CMOS工艺目前已经发展到3nm的时代，但是这些基本上主要数字电路追求工艺节点。但是针对模拟电路为主或者数模混合电路居多的芯片，当前芯片主要分布在180nm到28nm之间。主要工艺节点有 180nm，130nm，110nm，90nm，65nm，55nm，40nm和28nm等。如果电路中没有超高速转换器或者高速接口电路，基本CMOS工艺节点在90nm及以上比较多，65nm及以下节点则更加适用于高速转换器，高速接口的电路中。CMOS电路被用在射频应用时候，一般很难突破6GHz频率，超过6GHz之后，噪声和线性会快速下降。
   
   更高的工艺节点有利于数字电路速度提高并且有效降低尺寸，但是也会带来漏电流会变大，投片费用也较高。较低的工艺节点会限制运行速度，尺寸上也会比较大，但是漏电流更小，投片费用也更低。针对模拟电路，特别是数模混合电路而言，选择合适的工业节点是至关重要的。
   CMOS作为标准半导体电路，随着手机，计算器和超算等行业的发展，以及摩尔定律发展，工艺要求不断提高，目前已经开始迈入3nm的时代，2021年TSMC的28nm及以上工艺收入已经占据的80%。在巨大的投入情况下，芯片厂商即使是IDM已经很难在最高自建生产线的，而是通过代工方式实现生产。

3.  BICMOS工艺  BIMOS就是CMOS和BIPOLAR的混合，就是在CMOS的基础上生长BIPOLAR，由于BIPOLAR可以做到非常低的漏电电流和噪声，针对数模混合电路，特别是低噪声或者低偏移的数模混合电路使用BICMOS即可以发挥CMOS的功耗的优势，又可以兼顾模拟高性能特性。

4. BiCMOS SiGe工艺，还广泛使用在射频与微波的器件上，当前SiGe的BIMOS可以工作在28GHz，可以用在毫米波频段，替代GaAs的工艺。

5. BCD工艺

BCD工艺是BIPOLAR, CMOS和DMOS的组合。CMOS实现数字电路和逻辑，BIPOLAR实现精密的模拟电路，DMOS实现高压部分。

图2 介质隔离的BCD纵向剖面图

BCD工艺广泛使用在的电源，电池检测，LED驱动等高压电路中。目前BCD工艺主要工艺节点有0.25um，0.18um,130nm, 90nm和55nm。耐压等级根据应用不同，最低为5V, 其次是12V, 40V, 60V, 80V, 120V，最高达到6KV等。BCD除了不断提高工艺的制程和耐压等级之外，通过结构改善如DTI (Deep Trend Insolate) 降低尺寸，也通过SOI工艺提高隔离等级降低尺寸。ST公司是BCD工艺的发明者，从ST官网数据可以看出，ST的BCD工艺已经发展到90nm（100V），最高耐压到6KV，发展到第9代，工艺涉及到SOI和DTI等。其他厂商如TI的BCD工艺已经支撑110nm（85v）耐压，采用DTI实现。NXP主要基于SOI的BCD工艺上开发汽车电源类和音频功放等产品。晶圆代工厂中，TSMC，TOWER, Global Foundries, SMIC和华虹都有开发BCD工艺。

6. SOI-CMOS

SOI工艺是使用SIO2作为隔离，消除漏级，源级和衬底的之间PN结，从而减少的结电容，消除闩锁效应，提高了电路的工作频率。SOI CMOS可以使用高性能的射频开关产品，用来替代GaAs。由于CMOS很难被使用在超过6GHz射频产品上，但是诸如毫米波5G通信，77-79G的毫米波雷达电路，由于其成本和集成要求高，SIO-CMOS也被广泛使用在微波数模混合电路中。从Global Foundries的财报中可以看出，RF-SOI工艺是GF的一个非常重要工艺，基于RF的SOI的工艺的产品广泛使用手机和无线基础设施中。
 

图3 SOI MOS 示意图

7. GaAs工艺

GaAs工艺广泛使用射频和微波电路中，特别在10GHz以上的频率上，GaAs射频特性尤为突出。如基于GaAs技术的LNA，VCO性能远超其它工艺的器件。GaAs也存在问题，无法实现复杂数字电路，ESD等级低，容易损坏等。GaAs耐压值较低，工作电压在5-7V，广泛使用终端设备PA中。常用GaAs工艺有HBT和pHEMT，其中HBT主要被用在功率放大器中，而PHEMT被用在射频开关和LNA中。
Strategy Analytics研究报告给出，包含IDM与代工厂在内，2021年全球GaAs产值为98亿美元。

全球主要GaAs器件提供商主要是Skyworks（IDM），Qorvo（IDM）和台湾的 Win Semi（稳懋），稳懋为很多国际大厂如Broadcom，Qualcomm，Murata, ADI，M/A-COM提供代工的业务，是全球第一大的GaAs代工厂。

8. GaN工艺

GaN主要使用在射频和微波超宽带的PA产品以及高频的开关电源产品中。与传统MOSFET相比，GaN最大优势就是高频特性，在射频PA领域就是超宽带宽特性。
目前的GaN商用化最成功领域就是快充的充电器，由于GaN可以大幅度提高开关频率，所以可以有效降低开关电源电容和电感迟尺寸，从而可以大幅度降低快充适配器的尺寸，随着便携设备包括手机，PAD，笔记本等多种设备广泛支持TYPE-C的各种快充标准，当前快充标准广泛可以支持到65W(20V, 3.25A)，快充充电器依然成为家庭标配产品，而小体积GaN充电器越来越受到消费者的喜欢。也有厂商利用小体积特性，在车载OBC中使用GaN器件。Yole给出的预测到2026年GaN在消费市场将达到700M$的销售额，占据整个市场的60%，其次在汽车设备中。
随着5G和宽带通信发展，特别在基站端，可能使用单设备支持多个载频，GaN的PA可以实现非常宽的频宽，在某些宽频中小功率场景上，得到很多应用。Yole给出预测，到2026年GaN在电信和无线通信基础设施中的应用超过200M$。
另外，GaN也开始被用在激光器的驱动中，随着近些年激光雷达慢慢被用在汽车和机器人等设备上，GaN由于其快速特性，可以帮助产生极窄的激光，获得超高精度的测量中。
提供GaN的厂商很多，如Gree（后来更名为为Wolfspeed），ST, Infineon, Qorvo和TI等。

8. SiC 工艺
第三代半导体技术，在高压和高速两个维度上超越MOSFET和IGBT。碳化硅功率器件与传统的硅功率器件制作工艺不同，不能直接在碳化硅单晶材料上制作，必须在导通性单晶衬底上额外生长高质量的外延材料，在外延层上制造各类器件，如果二极管，MOSFET等。
目前全球最领先SIC的制造商是位于美国的WolfSpeed, Wolfspeed在纽约的Marcy的8寸材料厂在2022年启用，2024年将达到满产。ST通过收购Norstel加强在SIC的竞争力，在瑞典的8寸晶圆厂已经出货，其SiC的MOSFET被用在特斯拉高压长续航的车型上。
SiC目前成本明显高于IGBT，但是随着电动汽车电压升高800V，未来在汽车主逆变器，OBC和DC-DC转换器上与IGBT的成本上减少差距。

9. 磷化銦(InP)

用于光学电路的化合物半导体，近些年快速发展的光通信以及未来的激光雷达都将会大量使用磷化銦材料。