揭秘半导体未来十年颠覆性技术的基石

法国Soitec半导体公司1月20日公布的2021财年第三季度业绩显示，截止2020年12月31日，公司合并收入为1.487亿欧元，较2020财年同期的1.353亿欧元实现了9.9%的增长。该公司同时对2022财年进行了展望，预计销售额将达到9亿美元以上。

4G和5G蜂窝网络的部署是Soitec业绩的主要增长动力，尤其驱动了其为射频应用而开发的产品，包括滤波器。与此同时，来自汽车、物联网、边缘人工智能和云计算等应用领域的需求也让公司从中受益匪浅。

驱动半导体行业未来十年发展的大趋势

Soitec全球战略负责人Thomas Piliszczuk日前在接受媒体采访时称，尽管新冠疫情、地区紧张局势和产业链供给短缺造成当前国际环境错综复杂，但在2020-2030年间，半导体市场仍将呈现2.2倍的增长趋势，5G、人工智能和能源效率将成为最重要的三大市场驱动力，涉及智能手机、汽车、物联网、云、基础设施等多个领域。

下图列举了一些典型应用市场的增长趋势，例如5G智能手机出货量将有望从2021年的5亿台增加至2025年的13亿台，电动汽车数量将从2025年的2000万台增加至2030的超过4000万台，边缘AI终端数量将从2021年的100亿台增加至2030年的超过400亿台。

众所周知，“PPACT”，即性能(Performance)、功耗(Power)、上市时间(Time-to-market)、所占面积(Area Cost)，是上述领域所有相关解决方案都必须考虑的因素。在此基础上，众多行业也正面临着包括超越摩尔定律、寻找新型体系架构、新型材料、先进封装技术、缩减尺寸的新方法在内的一系列挑战。

• 5G市场

国际电联(ITU)为5G定义了三大应用场景，即eMBB(增强型移动宽带）、mMTC(海量机器类通信)和uRLLC(超可靠、低时延通信)，并将6GHz以下(FR1)频段和毫米波(FR2)频段作为承载5G部署的核心。数据显示，尽管受到疫情的影响，但5G在全球加速部署的趋势并未停止。2020年，全球110家5G运营商共建成约20万个5G基站，5G手机销量约为2亿台。预计到2023年，5G手机销售量占比将达到50%，而全球超过55%的区域将在2025年实现5G覆盖。 

而为了充分利用频谱资源，5G在系统中引入了众多针对新应用场景进行了高度优化的技术，例如网络切片、频谱共享和共存、聚合带宽高达1GHz的载波聚合、大规模MIMO和天线阵列系统、以及固定无线接入，小型基站和毫米波技术等等，这也直接导致5G RF前端模块所需要的功率放大器、滤波器、开关、LNA和天线调谐器的需求量倍增。此外，5G智能手机开发商还担心RF器件的质量、散热和能效问题，以及如何将所有这些RF模块全部塞到一部5G手机里。

考虑到并不是每个RF器件都使用相同的材料或相同的技术，作为全球领先的半导体材料供应商，Soitec为射频系统准备了一揽子优化衬底方案：RF-SOI工艺用于5G智能手机射频前端中的开关器件和天线调谐器；FD-SOI用于SoC模拟/射频集成；压电(POI)优化衬底用于生产高性能表面声波(SAW)滤波器组件，主要针对4G和5G新无线电(NR)波段；硅基氮化镓(GaN-on-Si)和碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)则是进入5G GaN功率放大器市场的利器。Soitec方面预测称，其RF-SOI和FD-SOI产品在射频中的应用面积，将从3G时代的2mm2激增至5G sub-6GHz & mmW时代的130mm2。

• 汽车

近年来，以Connectivity(互联化)、Autonomous Driving(自动化)、Services(服务化)、Electrification(电气化)为代表的“CASE”四大趋势，正在重塑汽车产业的整体格局。在CASE的推动下，到2026年，5G汽车的销量将达到2700万辆，L3 及以上车型销量和电动汽车销量将在2030年分别达到700万辆和4500万辆，从而给汽车产业带来巨大变化。

车载电子系统的价值也在这一过程中得到了提升，甚至可以毫不夸张地说，“汽车创新的关键在于电子系统”。2007年之前，电子系统成本只占整车成本的20%，预计到2030年，这一比例将增加至50%。如果细分到CASE所对应的领域，不同领域将保持2%-22%的增幅。

伴随巨大变化而来的，是新趋势给汽车创新与设计提出的诸多挑战，例如如何持续提高汽车能效和行驶里程，缓解“里程焦虑”；如何达到汽车最优的通讯；如何对车载系统进行高效的集成以优化传感器和显示屏幕布局；如何增强汽车的可靠性与安全性等。

从Soitec的角度来看，包括用于4G/5G RF前端模块的RF-SOI、用于5G滤波器的POI、用于SoC模拟/射频集成的FD-SOI和碳化硅/氮化镓在内的一系列优化衬底产品组合，将能够非常有效的帮助汽车产业面对上述挑战。

SOI晶圆的革命性晶圆键合和剥离技术Smart Cut是Soitec的核心竞争力所在，从1992年公司成立一直使用至今，在硅、碳化硅、蓝宝石衬底等多种半导体材料上得到了实践应用，它能将超薄的晶体材料从一个衬底转移到另一个衬底之上，从而打破原有的物理限制并改变整个衬底行业的状况。该技术最大的优点在于可以提高材料均匀性，降低材料缺陷密度，并且使高质量晶圆可以循环再利用，广泛应用于SOI衬底的批量生产，包括FD-SOI、RF-SOI、Power-SOI、Photonics-SOI 和Imager-SOI，用以满足不同市场应用的需求。

各业务单元最新进展

2020财年，得益于智能手机、物联网、边缘计算、汽车、数据中心等市场的快速发展，Soitec实现销售收入6亿欧元，年增长率高达28%，是过去三年销售额的2.5倍；EBITDA利润率为31%，在过去的三年间增长了4.5倍；股价也在过去三年间增长2倍，目前市值约为30亿欧元。根据Soitec首席运营官兼全球业务部主管Bernard Aspar的介绍，公司四大类业务单元均取得了不错的成绩：

• RF-SOI

该工艺主要用于5G智能手机射频前端模块制造。尽管2020年全球智能手机出货量下降约10%(5G智能手机出货量预计为2亿台)，但5G智能手机中RF-SOI 的内容比例却在增加，例如Sub-6GHz频段中，RF-SOI含量比4G高60%，比中端手机至多可高100%；毫米波频段中，RF-SOI设计被应用于室内无线网络接入点；RF-SOI在 Wi-Fi 6/6E MU-MIMI RF FE中更具优越性。

• FD-SOI

得益于超低功耗特性，FD-SOI工艺目前在汽车、物联网、智能家居、智能手机等市场得到广泛应用，例如具有成本效益的(毫米波)集成无线电，WiFi6和雷达；节能的模拟/混合信号解决方案；搭载eMRAM内存的高效计算型汽车、以及用于sub-TGHz设计的下一代解决方案等，相关晶圆厂也正在研发18nm和12nm工艺节点。

• 特殊SOI： 

汽车(基于SOI的电池管理系统和高压门驱动器带动Power-SOI需求)、智能手机的面部识别和3D传感带动Imager-SOI发展、数据中心(400G硅光子带动Photonics-SOI发展)是其主要应用市场。

• 滤波器

Soitec采用新型压电衬底(POI)用于构建最新一代的5G表面声波(SAW)滤波器。考虑到要实现高速数据传输，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。

目前，Soitec已于高通公司签署有关为4G/5G RF滤波器提供POI衬底的商业协议，150mm POI衬底进入大规模量产阶段，其产能正准备扩张至50万片/年。

• GaN

通过3000万欧元收购欧洲氮化镓(GaN)外延硅片材料供应商EpiGaN(现更名为Soitec Belgium)，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。其核心应用领域包括基站(基于氮化镓的功率放大器)、智能手机(5G毫米波和sub-6GHz功率放大器)、以及用于功率器件的200mm硅基氮化镓外延片。

• 碳化硅

Soitec将Smart Cut技术应用于碳化硅的目标，是为了通过显著降低缺陷密度、简化制造设备流程、更易于回收和使用SiC衬底等优势，显著改善SiC在衬底和器件级别的成本和质量。尽管与传统的Si-IGBT器件相比，SiC MOSFET器件的尺寸能够减小50%，性能提升2%，使用寿命也能大幅增加。但目前，即使需求激增，SiC也面临两大挑战：第一、没有足够的SiC晶圆供应；第二、SiC的制造良率很低。为了进一步增强这一努力成果，2019年秋季Soitec宣布了与应用材料(Applied Materials)公司的联合开发计划，双方将共同致力于碳化硅技术的材料工程创新。目前，2021第一季度的合规产品已准备就绪。

• Dolphin Design

为了通过设计巩固对半导体供应链从优化衬底到集成电路、系统应用的业务覆盖，2018年8月底，Soitec收购Dolphin Integration的大部分股份。Dolphin Integration是一家专注于开发低功耗芯片的法国公司，通过收购，双方能够为市场带来结合优化功率管理和正向体偏压技术的独特解决方案。Soitec方面认为，收购Dolphin 代表Soitec正在加强IP库构建与相关服务，为基于FD-SOI的芯片设计提供更加节能高效的解决方案。这是FD-SOI与其他SOI晶圆片的主要区别，也是FD-SOI在相关市场领域得以推广的重要因素，今后，能效以及电源管理方面的市场将是Dolphin Design关注的重点。

“5G、人工智能、边缘计算和能效是未来十年推动电子产品增长的主要趋势。” Thomas Piliszczuk说Soitec的优化衬底产品组合已经从SOI扩展到POI、GaN和SiC，由于中国在电子供应链中正扮演着日益重要的角色，今后，Soitec将不断加强在中国的市场地位。