美国半导体创新的发展：以Ideal Semiconductor为例的研究

逍遥设计自动化

引言
本文通过Ideal Semiconductor公司的发展历程，探讨美国半导体行业面临的挑战和机遇，同时分析CHIPS科学法案对行业发展的重要影响[1]。

/ Z! X; T; E! h" |7 U2 z  ~1 s3 u功率晶体管的技术创新
9 E, N8 F8 r" M; h/ K功率晶体管是现代电子产品的基础组件。这类器件在2022年的市场规模达到340亿美元，预计到2030年将增长到500亿美元。从调光开关到人形机器人，功率晶体管在各类电子设备中负责电压转换。功率晶体管架构的演进始于International Rectifier公司开发的HEXFET，将晶体管设计从平面结构转变为垂直结构。

HEXFET的垂直架构由多个层次组成：

底部是重掺杂的n型硅基底（漏极）

中间是较厚的低掺杂电子区域

顶部是包含源极和沟道的复杂层

虽然这种设计带来显著进步，但在高压应用中存在局限性。增加阻断电压能力会导致导通时的电阻呈指数级增加。
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: d; D9 m  |0 L" {$ Y6 ^/ \8 W7 A: O  t为应对这一挑战，业界开发了RESURF超结构架构，通过在中间n型层中引入p型材料来实现更高的电压阻断能力。然而，这种方案使器件的导电面积减半，为性能改进带来新的挑战。

SuperQ技术创新

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图1：Ideal Semiconductor的SuperQ功率晶体管，在高压能力和低电阻方面实现突破性进展。

Ideal Semiconductor的SuperQ技术提供了新颖的解决方案。不同于使用大体积p型硅进行电荷平衡，SuperQ采用纳米级薄膜置于窄深沟槽中。这项创新保持了HEXFET的宽导电结构，同时具备高压处理能力。
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SuperQ的开发需要两种在功率器件制造中较为少见的先进制造技术：
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高深宽比沟槽刻蚀

原子层沉积(ALD)实现精确的材料层控制

从实验室到制造的历程

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. |( o# w6 [* P图2：Ideal Semiconductor的应用工程师Orion Kress-Sanfilippo在电源设备中测试SuperQ器件的性能。
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. i" H3 K" U! ?从概念到商业产品的过程展现了美国半导体初创企业面临的挑战。2014年，当Granahan开始开发SuperQ概念时，美国缺乏适合制造先进功率器件的工厂。这个问题迫使公司在早期开发阶段做出妥协，与非最优的制造合作伙伴合作，并投资额外设备。

CHIPS法案的影响
2022年通过的CHIPS科学法案拨款520亿美元用于振兴美国半导体制造和创新。该法案的影响主要体现在三个方面：

1. 制造支持：
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390亿美元用于新建制造设施

支持先进和专用半导体的本土生产能力
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2. 研发投资：
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110亿美元用于研究和开发

包括建立国家半导体技术中心(NSTC)

% X! N+ H7 j- E5 F" E! q1 J, G3. 国防应用：

20亿美元专门用于国防领域半导体
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' H; p6 z) d8 k- H4 z4 BNSTC作为初创企业的重要支持平台，将提供：
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先进设计工具和设备使用权

原型制作和封装设施

设计支持资源

多项目晶圆机会以降低开发成本

对于Ideal Semiconductor等公司，CHIPS法案的实施可能将开发时间缩短50%，成本降低40%。本土制造能力和支持基础设施的建立解决了此前迫使美国初创企业寻求海外合作伙伴或在开发过程中做出妥协的关键问题。
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. b3 |$ X* r0 d$ R  r' a" x& k展望未来
9 c8 O9 t7 ~5 R/ ^8 uCHIPS法案不仅增强制造能力，还创建了支持从概念到商业化全过程的创新生态系统。随着NSTC设施陆续投入运营（设计设施将于2025年、极紫外光刻中心将于2026年、原型制作设施将于2028年投入使用），下一代半导体初创企业将获得以前在国内无法获得的资源。
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积极成果已经显现——Ideal的制造合作伙伴Polar Semiconductor获得了CHIPS法案首笔1.23亿美元资金，用于扩建设施和提升能力。这项投资显示法案已开始加强国内半导体制造基础，为创新企业更高效地将创意投入市场创造新机会。
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参考文献
[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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