美國半導體創(chuàng)新的發(fā)展：以Ideal Semiconductor為例的研究

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引言
5 V# C1 r$ O5 H/ P7 p本文通過Ideal Semiconductor公司的發(fā)展歷程，探討美國半導體行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和機遇，同時分析CHIPS科學法案對行業(yè)發(fā)展的重要影響[1]。
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功率晶體管的技術創(chuàng)新
功率晶體管是現代電子產品的基礎組件。這類器件在2022年的市場規(guī)模達到340億美元，預計到2030年將增長到500億美元。從調光開關到人形機器人，功率晶體管在各類電子設備中負責電壓轉換。功率晶體管架構的演進始于International Rectifier公司開發(fā)的HEXFET，將晶體管設計從平面結構轉變?yōu)榇怪苯Y構。
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* f6 E6 U- F* L5 U& a$ `HEXFET的垂直架構由多個層次組成：
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底部是重摻雜的n型硅基底（漏極）

中間是較厚的低摻雜電子區(qū)域

頂部是包含源極和溝道的復雜層
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雖然這種設計帶來顯著進步，但在高壓應用中存在局限性。增加阻斷電壓能力會導致導通時的電阻呈指數級增加。

為應對這一挑戰(zhàn)，業(yè)界開發(fā)了RESURF超結構架構，通過在中間n型層中引入p型材料來實現更高的電壓阻斷能力。然而，這種方案使器件的導電面積減半，為性能改進帶來新的挑戰(zhàn)。
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SuperQ技術創(chuàng)新

圖1：Ideal Semiconductor的SuperQ功率晶體管，在高壓能力和低電阻方面實現突破性進展。
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Ideal Semiconductor的SuperQ技術提供了新穎的解決方案。不同于使用大體積p型硅進行電荷平衡，SuperQ采用納米級薄膜置于窄深溝槽中。這項創(chuàng)新保持了HEXFET的寬導電結構，同時具備高壓處理能力。

2 I. x" a- L6 H1 k3 uSuperQ的開發(fā)需要兩種在功率器件制造中較為少見的先進制造技術：
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高深寬比溝槽刻蝕

原子層沉積(ALD)實現精確的材料層控制

從實驗室到制造的歷程
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! }7 ^+ P, c; c# a7 W圖2：Ideal Semiconductor的應用工程師Orion Kress-Sanfilippo在電源設備中測試SuperQ器件的性能。
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從概念到商業(yè)產品的過程展現了美國半導體初創(chuàng)企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。2014年，當Granahan開始開發(fā)SuperQ概念時，美國缺乏適合制造先進功率器件的工廠。這個問題迫使公司在早期開發(fā)階段做出妥協，與非最優(yōu)的制造合作伙伴合作，并投資額外設備。
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CHIPS法案的影響
* p2 ]8 M0 X; d$ L2022年通過的CHIPS科學法案撥款520億美元用于振興美國半導體制造和創(chuàng)新。該法案的影響主要體現在三個方面：
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: E% b: ?# }- O2 G( `. H1. 制造支持：

390億美元用于新建制造設施

支持先進和專用半導體的本土生產能力
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2. 研發(fā)投資：
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110億美元用于研究和開發(fā)

包括建立國家半導體技術中心(NSTC)

1 F( g" }  e4 B2 t& @5 o: [( V3. 國防應用：
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20億美元專門用于國防領域半導體

! z4 Q( _, `9 H/ H6 INSTC作為初創(chuàng)企業(yè)的重要支持平臺，將提供：
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先進設計工具和設備使用權

原型制作和封裝設施

設計支持資源

多項目晶圓機會以降低開發(fā)成本
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對于Ideal Semiconductor等公司，CHIPS法案的實施可能將開發(fā)時間縮短50%，成本降低40%。本土制造能力和支持基礎設施的建立解決了此前迫使美國初創(chuàng)企業(yè)尋求海外合作伙伴或在開發(fā)過程中做出妥協的關鍵問題。
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2 M+ y  a  Q, w0 y2 `展望未來
CHIPS法案不僅增強制造能力，還創(chuàng)建了支持從概念到商業(yè)化全過程的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。隨著NSTC設施陸續(xù)投入運營（設計設施將于2025年、極紫外光刻中心將于2026年、原型制作設施將于2028年投入使用），下一代半導體初創(chuàng)企業(yè)將獲得以前在國內無法獲得的資源。
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積極成果已經顯現——Ideal的制造合作伙伴Polar Semiconductor獲得了CHIPS法案首筆1.23億美元資金，用于擴建設施和提升能力。這項投資顯示法案已開始加強國內半導體制造基礎，為創(chuàng)新企業(yè)更高效地將創(chuàng)意投入市場創(chuàng)造新機會。
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1 P: b1 m) J6 _+ t. R參考文獻
: l  ?+ P3 s+ |& B[1] S. K. Moore, "This Startup Shows Why the U.S. CHIPS Act Is Needed,"IEEESpectrum,Oct.21,2024[Online].Available:https://spectrum.ieee.org/power-electronics-2669401997

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