作者：电子创新网张国斌
SOI（绝缘体上硅）是指把一层薄薄的硅单晶覆盖在由二氧化硅或玻璃做成的绝缘体之上(因此被命名为“绝缘衬层上的硅”，常简称作SOI), 其与仅仅构建在一块简单的硅片上相比，在SOI薄层上构建的晶体管，其运算速度更快、功耗更低。
致力于在国内打造该材料的王曦院士曾形象地将其称为用硅做“三明治”---确实如此，因为它的制作流程就是在一张0.5毫米厚的硅片上，在距表面100纳米下，注入一层几百纳米、厚薄均匀的二氧化硅“夹心”！
1998年8月3日，美国IBM公司宜布在世界上首次利用新的半导体村底一绝缘硅(SOI)成功地研制出高速、低功耗、高可靠的微处理器芯片。其与常规的CMOS技术相比，采用SOI技术，使其晶体管开关时间比使用硅衬底减少了20%~ 25%。使芯片的功能提高了35%。又一次实现了摩尔定律中有关性能的跳跃发展。
2000年，IBM公司宣布AS/400是第一个 使用基于SOI微处理器芯片的计算机系统。由于工作速度提高了20%,相当于在使用块硅技术的条件下，把电路工艺水平从线宽o.22μm提高到o.18μm技术水平。这就基味着在使用相同光刻技术的情况下，SOI衬底技术可以使IBM公司在处理速度领先业界一代的水平。
SOI 可实现更快的半导体器件、更低的漏电流、优化的性能和更低的结电容，从而实现更低的功耗。 由于这些特性，它被广泛用于制造各种消费电子产品、微处理器、射频 (RF) 信号处理器、生物技术芯片和微机电系统 (MEMS)。
尤其是随着汽车电子、物联网、移动通信以及人工智能技术的发展，SOI晶圆需求呈现快速上升趋势，据预测，2022年全球SOI市场规模将达到13亿美元，到 2028 年将达到 31 亿美元，到2032年，全球SOI市场规模预计将达到58.3亿美元，该市场呈现加速成长势态。
|中国FD-SOI产业，起步了！
2023年10月23日，时隔3年，由芯原股份和新傲科技主办、SEMI中国和SOI产业联盟支持的上海FD-SOI论坛再次d登陆上海，从2013年的第一届上海FD-SOI论坛开始到现在第八届上海FD-SOI我都全程参加，全程见证了FD-SOI技术在中国的发展，当年，我还写过数篇文章，呼吁本土半导体产业接纳这个工艺技术。
FD-SOI是一种在SOI衬底上制作全耗尽型CMOS器件的技术，它是唯一能将2D CMOS晶体管的平面结构与全耗尽（FD）模式下运行这两大实质特性相结合的技术。这个技术也是FinFET工艺技术发明人胡正明教授发明的，从架构上看更像是把FinFET（鳍式晶体管）翻转了90度。
FD-SOI继承了前文提到的SOI材料的优越性，此外，FD-SOI还具有许多其他方面的独特优点，包括具有背面偏置能力，极好的晶体管匹配特性，可使用接近阈值的低电源电压，对辐射具有超低的敏感性，以及具有非常高的晶体管本征工作速度等。
FD-SOI技术所有这些关键特性使其广泛用于物联网、边缘智能、自动驾驶和5G通信收发器积极汽车电子中的雷达系统等毫米波段应用。
目前，AIOT市场已经起步，随着数字化的深入，市场需要大量低功耗、高性能、长续航的设备，FD-SOI正受到越来越多地关注。
在本次论坛上，中国集成电路创新联盟秘书长叶甜春指出，FD-SOI给中国带来新的机会和发展空间，推动FD-SOI生态发展需要更多芯片设计公司和应用厂商加入进来。他相信FD-SOI在中国将有更多的机会，因为诸如互联网、电动汽车等一系列的新兴市场在中国都有着很好的发展，这会给我们带来一个新的发展空间和机会。
芯原股份董事长兼总裁戴伟民在发言中指出，目前，很多IC设计公司意识到FD-SOI带来的好处，开始采用FD-SOI工艺，国外采用FD-SOI工艺的公司和产品有：NXP的i.MX RT500/600、i.MX 8ULP处理器、瑞萨首款22纳米FD-SOI微控制器、莱迪思的FPGA芯片、索尼的导航、Nodic的nRF54系列、瑞芯微的AI芯片等。
今年6月，法国宣布提供29 亿欧元，用于支持STMicroelectronics 和GlobalFoundries在法国东南部Crolles新建的基于FD-SOI工艺技术的半导体工厂项目。该项目属于“法国2030”投资计划，投资总额近75亿欧元，也是欧盟《芯片法案》的一部分。
戴伟民表示经过多年的积累，以前FD-SOI在中国面临的如IP、设计服务、材料等问题已经得到解决，他表示，目前芯原就已经积累了全套的基础IP，此外，芯原还有丰富的射频IP和基带IP产品组合，包括 BLE、802.11ah、802.15.4g、Cat 1、NB IoT、GNSS等；其中所有射频IP均已通过验证、基带IP已开发完成，可以助力设计公司完成完整的FD-SOI芯片设计。
“FD-SOI已经从非主流变成主流！相比28nm体硅工艺，FD-SOI芯片可以把工号降低55% ，两节AA电池可以支持续航两年！”他强调。
他表示，“我们可以两条腿走路，FD-SOI让我们有更多的选择。”
戴伟民指出FD-SOI市场已经起步，数据预测该市场会从2012年的9.3亿美元在增长到2027年的40.9亿美元，年复合增长率高达34.5%！
据悉目前在中国，已经有提供FD-SOI代工服务的晶圆厂在投资建设，预计未来两年可以提供代工服务。
IBS的CEO Handel Jones指出：目前， 28nm 和 22m FD SOl 已进入大批量生产阶段 ，FD SOl 的经验基础已经十分广泛，FD SOl 技术的优势已十分明显，此外， 18m FD SOl 技术正在开发中 ，而且 18m FD SOl 技术可能会在中国市场得到广泛应用。
他说FD-SOI支持广泛的应用，与七个应用要点：
1、 FD SOl 提供低功耗处理器功能和高效的高频连接 ；
2、77GHz 雷达产品已采用 22m FD SOI 技术 ；
3、 一些大公司已采用 FD SOl 技术生产了许多可穿戴设备 -；
4、汽车和通用 MCU 已采用 FD SOl 技术生产 ；
5、 FD SOl 技术已在中国市场得到广泛应用；
6、FD SOl 被用于智能手机中的毫米波收发器 ；
7、 FD SOl 产品的成本与体硅 CMOS 和 FinFET 工艺相比具有竞争力。
在上图中，他指出以10亿晶体管成本计算，12nm FD SOl 的成本要低于同一节点FinFET 工艺的成本，同时其良率也高于FinFET 工艺。
他得出结论说FD SOl 会有良好的发展潜力，因为它能更好地支持需要低功耗的产品 ；此外，18m FD SOl 将能够支持 16/14/12nm FinFET 的大多数设计 ；而且18m FD SOl 也有可能满足 7nm FinFET 的一些设计。
还有，FD SOl 的成本与其他技术相比具有竞争力 -- FD SOl 成本较低的关键因素是与其他技术相比，掩膜步骤数量较少 。
FD-SOI代工主力格芯的首席市场官juan Cordovez指出格芯FDX工艺主要应用的4个关键市场是：智能手机射频前端，成像器件 NFC/UWB；IOT无线连接、控制、人机界面；数据中心光网络发射器；汽车智能传感器，处理器等。
他表示下一代FDX平台将关注在更长电池续航、边缘智能、高可靠连接、节能处理、SoC集成、超高射频性能如500GHz频段以上高增益应用等。从他展示的下图来看，目前，FD-SOI生态确实已经比较成熟了！
三星电子代工事业部中国区市场总监李宁表示三星的28FDS已经成熟，从数据看，2023年tape-out的数量是2019年的两倍，2023年量产晶圆数量是2019年的4倍，汽车电子在2021年年以后明显增多。
他指出，针对移动、连接、网路、汽车电子应用的可验证IP已经就绪，参考设计流程已经建立。
此外他还强调三星一直在优化基于28nm FD-SOI工艺的eMRAM性能，它可以带来前所未有的能耗、速度优势。由于不需要在写入数据前进行擦除循环，eMRAM的写入速度可以达到eFlash的大约一千倍，而且电压、功耗低得多，待机状态下完全不会耗电，因此能效极高，三星自2019年以后已经将其商业化。
另外，他还透露全球首款基于 MRAM 的存内计算已经由 SAIT 与晶圆代工厂和三星半导体研发中心合作完成，手写数字分类准确率达 98%，场景人脸检测准确率达 93%。
芯原也介绍了采用FD-SOI的成功案例，这些案例覆盖物联网、IOT、无线连接、无人机等应用；
新思科技介绍了在FD-SOI领域的IP 积累，如针对GF 22FDX平台新思科技有大量的基础IP和接口IP。
新思科技解决方案事业部资深市场经理许可表示新思的工艺、IP 生态系统和 EDA 工具已为 FD-SOI 做好准备，新思已经为 GF22FDX 和 Samsung 28FD-SOI 提供 50 多种 IP，新思和GF 合作紧密，可以满足您在 GF22FDX 工艺上的汽车设计要求，加快产品上市时间。
在圆桌论坛环节，与会业者也认为下一代FD-SOI工艺将在3到5年内量产，足见产业对FD-SOI充满了信心。
从产业反馈来看，经过几年的对比和观摩，本土业者已经开始接纳FD-SOI工艺技术，而且FD-SOI已经日臻成熟，目前只要本土FD-SOI晶圆代工补齐，则本土FD-SOI可以完成闭环，可以说本土FD-SOI已经在起飞了！
|移动通信与人工智能助攻，本土晶圆迎来发展大机遇
在参加完FD-SOI论坛后,我在还参加的第二天举行的2023国际RF-SOI研讨会（2023International RF-SOI Workshop），在这个会上，EMI全球副总裁、SEMI中国区总裁居龙在演讲中分析了SOI晶圆的未来需求。他从宏观的角度分析了整个半导体产业链当前局势和对未来趋势的展望。智能应用创新驱动半导体产业持续成长，而半导体芯片技术使得智能应用成为可能，两者相辅相成。2023年半导体产业正处于下行衰退周期，2024年有望复苏恢复正增长。
从SOI晶圆终端应用来看，未来在智能手机上将有大量射频器件采用SOI材料制造。
格芯RF技术事业部副总裁Julio Costa在发言中支出，目前，蜂窝电话要支持的频带多达45个。
随着5G+以及6G的演进未来要支持的频带会更多。
很多人认为GaAs在手机射频上更有优势，但是经过市场选择，RF-SOI大量应用在手机上，RF-SOI首次进入智能手机是在2010年，当时只有RF-SOI可以满足智能手机对高性能开关的需求，因此很快就被应用到射频开关和其他一些射频前端控制器件中。
RF-SOI在智能手机中的变迁（数据来源：Soitec）
射频开关是射频系统中的关键器件，对无线信号起到通路选择（路由）的作用。制造射频开关传统的材料是GaAs，优点是射频性能好、击穿电压高，缺点是成本高、难于集成。与之相对，RF-SOI可同时提供优良的射频性能和低廉的成本，并且易于集成，因此逐渐取代了GaAs和更为昂贵的蓝宝石上硅（SOS）技术。
到了2016年，随着LTE技术演进而来，出现了更多复杂的射频模块，RF-SOI也随之被应用到天线调谐器以及更多的射频开关当中。而到2018年时，用RF-SOI技术制作的低噪声放大器（LNA）也开始出现。整个RF-SOI产业链开始呈现爆发的趋势。
集成和低成本是RF-SOI获得广泛应用的两大优势--RF-SOI的工艺和IC设计流程跟一般Bulk CMOS工艺线非常相似；由于采用12英寸衬底，其成本比传统的P-Hemt工艺低很多，而相对于GaAs, 其集成度则更高。
进入5G时代以后，RF-SOI更加如鱼得水，不但稳固了5G Sub 6GHz频段射频开关的主流工艺地位，还将更多射频器件纳入势力范围。据统计，RF-SOI 器件的比例正在不断增加，Sub-6GHz频段中，RF-SOI含量比4G要高出60%。
Julio Costa表示到2025年，手机上将有大量基于RF-SOI的器件。
Julio Costa表示从4G到5G发展就可以看到RF-SOI的渗透趋势，目前顶级手机有13个RF-SOI 天线调谐器，下一代SOI是3D异构架构，他在接受采访时表示，SOI的3D架构就是类似目前的chiplet技术 ，把晶圆级的RF-SOI器件进行叠封，已获得更高的性能更小的面积。
他指出未来十年移动数据流量的急剧增长将继续推动移动解决方案中 FEM 中 RFSOl 的部署，在毫米波 SOC 中，SOl 将面临来自 SiGe BiCMOS 和体 CMOS 解决方案的竞争 ；在 FR3 频率上，可能会与 RF MEMS 和 RF GaN-on-Si 潜在解决方案展开开关竞争。
上海工研院8寸线负责人李卫和中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究助理教授刘强先生的介绍了SOI在硅光以及人工智能领域的应用前景，目前，生成式AI应用如火如荼，但是人工智能应用的背后是惊人的功耗，据咨询机构Tirias Research建模预测，到2028年数据中心功耗将接近4250兆瓦，比2023年增加212倍，数据中心基础设施加上运营成本总额或超760亿美元。处于对低功耗的需求未来FD-SOI的需求会增加。
可喜的是，我国在SOI材料领域已经早有布局，国内SOI晶圆供应商新傲科技成立于2001年，致力于高端硅基材料研发与生产，目前是中国最大的SOI材料生产基地和技术领先的外延片供应商，也是世界上屈指可数的SOI材料规模化供应商之一。
目前硅产业集团通过增资在2018年9月~2019年3月，通过进一步受让新傲科技原股东持有的新傲科技股份，对新傲科技形成控股。 硅产业集团执行副总裁王庆宇博士在接受采访时表示
据他介绍，新傲科技拥有SIMOX（注氧隔离）、Bonding（键合）和Simbond（完全自主开发的SOI新技术）和Smart-cut四类SOI晶片制造技术，能够提供100mm（4英寸）、125mm（5英寸）和150mm（6英寸）SOI晶片和SOI外延片，能批量提供8英寸SOI片。新傲公司丰富的产品能够覆盖SOI的大部分应用领域，产品质量和技术能力得到了国际著名公司的认可。
王庆宇博士表示目前新傲科技8英寸厂已经扩产可以实现每月3万片，每年36万片的产量。
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