美国芯片公司，要打造理想功率器件

最新更新时间：2024-10-22

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来源：内容编译自IEEE，谢谢。

科技创业公司的工作场所都千篇一律：灵活的隔间布置、玻璃幕墙的行政办公室、等待着方程式和创意的白板墙、用于处理流程中更嘈杂和更危险部分的地下实验室。从某种程度上来说，位于宾夕法尼亚州伯利恒利哈伊大学校园内的 Ideal Semiconductor公司总部就是如此。最明显的区别是，18 世纪发明家和电力爱好者本杰明·富兰克林的真人大小的雕像坐在外面的长椅上。

Ideal 联合创始人兼首席执行官Mark Granahan 承认，他曾与老 Benny Kite-and-Key 共度了一两段宁静时光，但要将一个聪明的想法变成一家有价值的半导体公司，仅仅依靠本国创始人的灵感是不够的。从灵光一现到实验室演示，再到最终制造出现实，一直是硬件初创公司面临的决定性挑战。但 Ideal 的历程特别说明了当今美国半导体行业的发明状态，尤其是这家初创公司创始人亲自全力倡导的《芯片与科学法案》可能会如何让情况变得更好。

该法律于 2022 年通过，最为人所知的是，它投入数百亿美元在美国建造新的尖端 CMOS 工厂，而当时美国还没有这样的工厂。但这项努力还有另一面，旨在加快新技术从实验室到工厂的关键过程，并带来更多更好的半导体发明，这些发明可以（大部分）在美国制造。

Ideal 的创始人认为，这一点将为半导体初创公司带来最大的改变。改变有多大？虽然《CHIPS法案》对 Ideal 的首款产品来说大部分都来得太晚，但该公司高管认为，如果该法案已经出台并得到实施，该公司推出上市产品所需的七年时间将缩短一半，成本可能降低 60%。如果它能为一家初创公司做到这一点，想象一下一百家或一千家这样的加速初创公司对工业和创新生态系统的影响。

“如果你有时间和金钱，这能解决很多问题，”Granahan说。“但作为一家初创公司，时间和金钱永远是不够的。”希望 CHIPS 法案以及欧洲和其他地方的类似努力可以为初创公司节省一些时间和金钱。

Ideal 的大创意

要了解 Ideal 的发展道路以及《CHIPS 法案》可能如何改变它，首先需要知道 Ideal 是基于什么发明而建立的。它不是某种新型的 AI 处理器、奇特的存储设备或低温量子接口芯片。事实上，它只是半导体领域中看起来最不起眼的东西——一种专为电力输送电路设计的分立硅金属氧化物半导体场效应晶体管。

类似的设备随处可见，用于将一种电压转换为另一种电压。墙上的调光开关至少有一个；汽车有数百个，人形机器人可能需要 60 多个来驱动关节中的电机；你现在几乎肯定在 10 米范围内有一个。根据半导体行业协会 2023 年概况，此类分立器件在 2022 年构成了一个价值 340 亿美元的市场，预计到2030年将增长到 500 亿美元。

理想的功率晶体管在关闭时阻断高电压，在打开时无电阻传导电流，并在无功率损失的情况下快速切换状态。没有一种设备是真正理想的，但格拉纳汉和公司的其他联合创始人戴维·豪瑞吉和迈克尔·伯恩斯认为，他们可以比当今市场领先的硅器件更接近理想状态。

要了解其中的原因，您必须从晶体管架构开始，这种架构现在比领先的硅片性能落后了一代。这种架构被称为 HEXFET，最初由国际整流器公司开发，它改变了游戏规则，将晶体管从主要构建在硅片平面上的设备转变为具有垂直结构的设备。

这种结构逐渐演变成一个层状蛋糕，从底部到顶部变得越来越复杂。从底部开始是一块硅区域，它经过化学掺杂，含有高浓度的过量移动电子，使其成为 n型硅。这是该器件的漏极。在它上面是一个更厚的区域，其中过量电子的浓度较低。在这上面是更复杂的层。在这里，该器件的源极（一块n型硅区域）通过通道与器件的其余部分垂直分隔开来，通道是一块具有过量移动正电荷（空穴）的硅区域，使其成为p型。通道中心嵌入的是晶体管的栅极，它通过一层狭窄的绝缘层与其他所有部分电隔离。

栅极上的正电压将 p型硅中的正电荷推到一边，形成从源极到漏极的导电路径，从而打开器件。真正的 HEXFET 由许多并联的此类垂直器件组成。

HEXFET 是一次巨大的飞跃，但更高的电压是它的致命弱点。如果你设计它来阻挡更多的电压（比如通过使中间层更厚），那么当它应该传导电流时，设备的电阻会急剧上升，增长速度比你试图阻挡的电压的平方还要快。更高的电压操作很重要，因为它可以减少传输中的损耗，即使是在相当短的距离内，比如电动汽车和电脑内部的距离。

该解决方案，也是当今硅功率晶体管的领先架构，被称为 RESURF 超结。它通过将中间 n型层的一部分替换为p型材料，允许在电阻较小的结构中阻断更高的电压。结果是一种具有电荷平衡的结构，可以阻断高电压。但这种解决方案实际上将设备的导电面积减半，这意味着很难通过降低电阻来提高性能。

Ideal 的伟大创意是想办法让你的硅层蛋糕既可吃又可取。它被称为 SuperQ，可恢复 HEXFET 的导电面积，同时保持 RESURF 的阻断高压能力。SuperQ 不是通过投入大量 p型硅来平衡设备的内部电荷来阻断电压，而是使用在窄而深的沟槽内形成的纳米薄专有薄膜来获得同样的效果。因此，晶体管恢复了其宽而低电阻的结构，同时仍能处理高压。

但这种双赢需要一些硅功率器件领域所没有的芯片制造技术，即蚀刻深而窄（高纵横比）沟槽的能力，以及一次一个原子层铺设材料的工具。这两项技术在先进的 CMOS 和内存芯片制造中很常见，但在分立器件制造环境中掌握它们对 Ideal 来说是一个重大障碍。

理念及其环境

2014 年，格拉纳汉将他之前的创业公司 Ciclone 卖给了德州仪器，刚刚退休。“我休息了一段时间，基本上是为了放松和思考，”他说。对于格拉纳汉来说，放松和思考包括阅读 IEEE 出版物和其他技术期刊。

正是在那里，他看到了突破硅功率 MOSFET 局限性的曙光。他特别提到了试图在光伏电池中实现电荷平衡的实验工作。它依赖于两样东西。第一是高k电介质——氧化铝、二氧化铪和其他绝缘体，它们擅长在传输电荷电场的同时抑制电荷。这些材料在五年前才开始在英特尔CPU 中使用。第二是构建这些绝缘体的纳米薄膜的方法。这种技术称为原子层沉积，简称 ALD。

利用在宾夕法尼亚州立大学纳米制造实验室的时间，格拉纳汉尝试了不同的电介质和加工配方组合，最终证明了 SuperQ 概念是可行的，但需要一些先进的加工设备才能实现。

“没有那种顿悟时刻，”他谈到发明过程的初始阶段时说道。“但我必须经历这个学习过程才能让我们到达起点。”

这个起点可能就是终点，因为对于许多具有变革潜力的想法来说，它都是如此。早期最大的障碍通常就是资金。

格拉纳汉和Celesta Capital 的尼克·布雷斯韦特 (Nic Braithwaite) 表示，当时美国风险投资普遍对半导体初创公司不感兴趣。布雷斯韦特在半导体技术开发和芯片封装领域工作了数十年，后于 2008 年与他人共同创办了第一只基金，并于 2013 年创办了 Celesta。他说，当时“半导体领域还没有风险投资人”。

尽管如此，格拉纳汉表示，市场上还是有现成的资金来源——中国本土或中国支持的基金。但格拉纳汉和他的合作伙伴不愿意接受来自中国的资金，“我们需要一个合作伙伴来开发设备架构和与之相关的工艺技术，”他解释道。Ideal 的创始人正在寻找的是一家拥有专业设备并愿意帮助他们利用这些设备开发新工艺的美国代工厂。不幸的是，在 2017 年，这样的公司并不存在。

Ideal 的高管决心寻找国内合作伙伴，因此决定采用“次优解决方案”。他们在加利福尼亚州找到了一家小型制造商（高管拒绝透露其名称），这家制造商的能力和帮助 Ideal 开发 SuperQ 设备的速度都达不到标准。Ideal 甚至不得不为这家公司投资设备，以便它能够完成这项工作。

走到这一步的经历揭示了美国半导体行业的一些问题，Ideal 的创始人对此感到非常担忧。其中最关键的是芯片制造高度集中在亚洲，尤其是中国台湾。2018 年，大多数先进半导体行业的大公司都是总部位于美国的所谓无晶圆厂公司。也就是说，他们设计芯片，然后聘请台积电或三星等代工厂来制造芯片。然后，通常由第三家公司在亚洲测试和封装芯片，然后将其运回给设计者。

这一切依然是事实。这是AMD、苹果、谷歌、Nvidia、高通等美国科技巨头的标准操作程序。

到 2018 年，美国制造尖端逻辑芯片的能力已经萎缩，濒临消亡。当时自己生产芯片、现在才成为一家正规代工厂的英特尔在开发新工艺技术方面遭遇重挫，首次落后于台积电。而位于纽约马耳他的第三大代工厂GlobalFoundries突然放弃了先进工艺技术的开发，因为继续这样做将使该公司陷入财务困境。

当时的情况非常不平衡， 100% 的先进逻辑制造都在亚洲进行，而台积电独自承担了其中的 92%。（对于不太先进的芯片，情况并没有太大不同——77% 是在亚洲制造的，其中中国占 30%。）

“亚洲对美国的半导体发展拥有否决权，”格拉纳汉总结道。“美国已经失去了初创半导体生态系统。”

伯恩斯先生去华盛顿

格拉纳汉和联合创始人兼执行主席迈克·伯恩斯 (Mike Burns) 对此感到担忧和沮丧，于是他们做了一件积极的事情：他们向政府汇报了他们的经验。“迈克和我，尤其是迈克，花了很多时间在华盛顿与众议院和参议院的工作人员、[共和党人、民主党人] 以及任何愿意听我们说话的人交谈，”他讲述道。伯恩斯估计他们开了多达 75 次会议。他说，回应通常是“很多怀疑”。他们交谈过的许多政治力量根本不相信美国在半导体生产方面落后这么多。

但美国政府的某些部门已经开始担心，将半导体视为国家安全问题。因此，到 2019 年底，未来 CHIPS 法案的种子开始在华盛顿萌芽，该法案将寻求在岸实现先进的半导体制造等。尽管国会两院都获得了一些两党支持，但这并不是优先事项。

随后，新冠肺炎疫情爆发。

供应链焦点

还记得 2020 年可怕的全球疫情带来的供应链物流速成课程吗？在疫情引发混乱的第一年，消费者想要但买不到的许多东西，其直接或间接的原因就是半导体短缺。

“当新冠疫情来袭时，突然间……电话响个不停，”格拉纳汉说。“CHIPS 法案早在疫情爆发之前就已出台，但疫情真正暴露了我们为什么需要这项法案，” 曾任半导体初创公司首席技术官、现任美国商务部负责执行 CHIPS 法案的办公室研究主管的Greg Yeric说。

立法修复的势头开始转变，2021 年 1 月初，国会推翻了总统的否决，通过了一项国防法案，其中包括后来成为《芯片和科学法案》的框架。后来的法案于 2022 年 8 月签署成为法律，承诺为该项目提供 520 亿美元——390 亿美元用于资助新制造业，20 亿美元用于国防部门的半导体，110 亿美元用于研发。研发拨款包括为伯恩斯和他的同事一直在推动的一个概念提供资金，即国家半导体技术中心 (NSTC)。

从初创公司的角度来看，NSTC 的目的是通过提供测试和试点新技术的场所，弥补 Ideal 多年来陷入的实验室到工厂的低迷状态。在制定 NSTC 计划的战略文件中，政府表示，其目的是“扩大设计和制造资源的获取渠道”和“减少将技术推向市场的时间和成本”。

有关 NSTC 如何实现这一目标的一些细节已经开始浮出水面。该中心将由名为 Natcast 的公私合营企业运营，思科系统前首席安全官 Deirdre Hanford最近被任命为首席执行官。今年 7 月，政府确定建立三个主要 NSTC 设施——一个原型和先进封装试验工厂、一个行政和设计基地，以及一个以极紫外光刻技术为基础的中心。（EUV光刻技术是价值 1 亿多美元的尖端 CMOS 开发的关键技术。）政府打算让 NSTC 设计设施明年投入运营，随后是 2026 年的 EUV 中心，以及 2028 年的原型和封装设施。

格拉纳汉说：“如果我们能够使用这种 NSTC 类型的功能，那么我认为这将可以弥补这一空白。”

制造未来

如今，七年过去了，Ideal 即将推出其首款 SuperQ 设备。这家初创公司还找到了一家制造商，即位于明尼苏达州布卢明顿的Polar Semiconductor。9月底，Polar 成为第一家获得 CHIPS 法案资金的公司——1.23 亿美元用于扩建和现代化其晶圆厂，目标是将美国产量翻一番，并将其转变为一家代工厂。

对于 Ideal 来说，NSTC 的原型设计设施可能来得太晚，但对于新一批硬件初创公司来说，它可能来得正是时候。Yeric 所在的 CHIPS 办公室分支机构推动的研发旨在帮助下一代芯片初创公司更快地发展。

但同样重要的是，CHIPS 法案正在扩大国内制造环境，这也有助于初创企业。截至 9 月底，约有 360 亿美元已承诺用于全国27 个制造和技术开发项目。“如果你的设计受到晶圆厂能力的限制，那么在某种程度上，它会限制你的一些创新能力。”Celesta Capital 的 Brathwaite 说。“希望如果你有美国的代工服务，你会得到对美国初创企业的更好支持。”

参考链接

https://spectrum.ieee.org/power-electronics

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