FD-SOI

FD-SOI
Typ	Polovodičová technologie
Vynálezce	CEA-Leti

FD-SOI (zkratka z anglického Fully Depleted Silicon-on-Insulator, česky Plně ochuzený křemík na izolantu) je pokročilá technologie výroby polovodičových součástek, která představuje alternativu k tradičním tranzistorům typu Bulk CMOS a modernějším trojrozměrným tranzistorům FinFET. Tato technologie využívá ultra tenkou vrstvu izolantu (tzv. Buried Oxide – BOX) umístěnou přímo pod kanálem tranzistoru, což umožňuje plné vyčerpání nosičů náboje v kanálu. Výsledkem je výrazné snížení parazitních kapacit, minimalizace úniku proudu a vynikající schopnost řízení spotřeby energie.

V letech 2024 až 2026 zažívá FD-SOI masivní technologický a tržní rozmach, zejména díky poptávce po energeticky efektivních řešeních pro internet věcí (IoT), mobilní sítě 5G a 6G, a systémy pro autonomní řízení vozidel (ADAS). Na rozdíl od konkurenční technologie FinFET, která sází na 3D strukturu a maximální výkon pro vysoce výkonné výpočty, se FD-SOI profiluje jako ideální platforma pro aplikace vyžadující rovnováhu mezi výkonem, cenou a ultra-nízkou spotřebou.

Technologie je úzce spjata s evropským polovodičovým ekosystémem, zejména s francouzskou společností Soitec, která je globálním lídrem ve výrobě speciálních waferů (substrátů) metodou Smart Cut, a společností STMicroelectronics, která tuto technologii integruje do svých mikrokontrolérů a automobilových čipů.

🤖 Současnost (2024–2026) V období let 2024 až 2026 se technologie FD-SOI stala strategickou prioritou pro evropský i globální polovodičový průmysl. Trh s touto technologií roste meziročně o desítky procent, přičemž klíčovým faktorem je diverzifikace dodavatelských řetězců a snaha o technologickou suverenitu Evropské unie.

V lednu 2026 byla ve francouzském Grenoblu slavnostně inaugurace pilotní linky projektu FAMES. Tento celoevropský projekt si klade za cíl vývoj nové generace FD-SOI čipů určených pro edge computing a obranný průmysl. Projekt reaguje na potřebu zpracovávat data přímo v místě jejich vzniku (na "hraně" sítě) s minimální energetickou náročností. Součástí této iniciativy bylo i otevření první FD-SOI Design School v Grenoblu, která v lednu 2026 vyškolila první vlnu specializovaných inženýrů, čímž adresuje kritický nedostatek kvalifikovaných pracovníků v oblasti návrhu analogových a smíšených obvodů.

Významným milníkem byl březen 2024, kdy společnosti STMicroelectronics a Samsung Electronics společně představily nový výrobní uzel na úrovni 18nm FD-SOI. Tato technologie kombinuje nákladovou efektivitu staršího 28nm procesu s výkonnostními parametry pokročilejších uzlů, čímž otevírá cestu pro levnější, ale výkonná zařízení IoT. Trh FD-SOI technologií dosáhl v roce 2024 hodnoty 1,66 miliardy amerických dolarů a odhady pro rok 2026 (k 2. únoru) predikují růst na přibližně 2,85 miliardy dolarů.

V prosinci 2024 došlo k upevnění dodavatelského řetězce, když firma Soitec podepsala klíčovou dlouhodobou dohodu o dodávkách 300mm RF-SOI waferů pro americkou slévárnu GlobalFoundries. Tato dohoda je cílená primárně na výrobu čipů pro budoucí standardy bezdrátové komunikace, jako je Wi-Fi 7 a pokročilé sítě 5G.

📜 Historie a vývoj Kořeny technologie SOI (Silicon-on-Insulator) sahají hluboko do druhé poloviny 20. století, kdy výzkumníci hledali způsoby, jak zlepšit vlastnosti křemíkových tranzistorů pro použití v kosmickém a vojenském průmyslu, kde je kritická odolnost vůči radiaci (rad-hard). Původní SOI technologie byly drahé a obtížně vyrobitelné.

Zlom nastal na přelomu tisíciletí ve Francii. Výzkumný institut CEA-Leti v Grenoblu vyvinul metodu, jak efektivně a precizně vytvářet tenké vrstvy křemíku na izolantu. Klíčovou roli sehrála společnost Soitec, založená v roce 1992, která komercializovala technologii Smart Cut. Tato metoda využívá implantaci vodíkových iontů k "odříznutí" ultra tenké vrstvy krystalu křemíku a jejímu přenosu na jiný substrát. To umožnilo průmyslovou výrobu vysoce kvalitních FD-SOI waferů za přijatelnou cenu.

Zatímco giganti jako Intel vsadili kolem roku 2011 na přechod k trojrozměrným tranzistorům FinFET (Tri-Gate), aliance firem vedená STMicroelectronics, IBM a GlobalFoundries se rozhodla dále rozvíjet planární (plochou) technologii právě formou FD-SOI. Argumentovali tím, že pro mnoho aplikací je FinFET zbytečně složitý, drahý a energeticky náročný. Prvním velkým komerčním úspěchem byl 28nm proces, následovaný 22nm procesem (22FDX) od GlobalFoundries, který se stal průmyslovým standardem pro nízkoenergetické čipy.

⚙️ Technologický princip Základním rozdílem mezi FD-SOI a klasickým Bulk CMOS je struktura substrátu. Zatímco v běžném čipu jsou tranzistory vytvořeny přímo v tlusté vrstvě křemíku, u FD-SOI je pod tenkou vrstvou křemíku (kanálem) umístěna vrstva izolantu, obvykle oxidu křemičitého (SiO2). Tato vrstva se nazývá Buried Oxide (BOX).

Fully Depleted (Plné vyčerpání)

Díky tomu, že vrstva křemíku tvořící kanál je extrémně tenká (obvykle 5 až 10 nanometrů), je kanál "plně vyčerpán" (fully depleted) od volných nosičů náboje, aniž by bylo nutné křemík složitě dopovat příměsemi, jak je to nutné u Bulk CMOS. To přináší několik klíčových výhod:

Snížení úniku proudu: Izolant efektivně brání toku proudu ze zdroje (source) do odtoku (drain) hluboko pod kanálem, což je hlavní problém při zmenšování tranzistorů.
Lepší spínací charakteristiky: Tranzistor má strmější podprahovou charakteristiku, což znamená, že může pracovat při nižším napětí a rychleji přepínat mezi stavy "vypnuto" a "zapnuto".
Eliminace Latch-up efektu: Díky dielektrické izolaci je prakticky nemožné, aby došlo k parazitnímu sepnutí tyristorové struktury, což zvyšuje spolehlivost čipu.

Body Biasing (Předpětí substrátu)

Jednou z největších výhod FD-SOI je schopnost efektivního Body Biasingu. Protože je tranzistor izolován vrstvou BOX, je možné přivádět napětí na spodní stranu substrátu (pod izolant) a tím měnit prahové napětí tranzistoru.

Forward Body Bias (FBB): Zvýšení výkonu. Přivedením napětí se sníží práh spínání, tranzistor je rychlejší, ale spotřebovává více energie. Používá se, když aplikace potřebuje maximální výpočetní výkon.
Reverse Body Bias (RBB): Snížení spotřeby. Změnou napětí se zvýší práh spínání, čímž se drasticky omezí únikové proudy v klidovém stavu. Ideální pro režim spánku u bateriových zařízení.

Tato technika umožňuje dynamicky měnit vlastnosti čipu za běhu, což je u technologie FinFET velmi obtížné a omezené.

🆚 Srovnání technologií Následující tabulka porovnává stav technologií v roce 2026, konkrétně planární FD-SOI oproti 3D struktuře FinFET.

Vlastnost	FD-SOI (Planární)	FinFET (3D)
Struktura	Planární (plochá), snadnější výroba	3D (žebrová), komplexní litografie
Výrobní náklady	Nižší (méně masek, méně kroků)	Vysoké (vyžaduje složité multi-patterning)
Spotřeba energie	O 30–40 % nižší při stejném výkonu	Vyšší (vyšší parazitní kapacity)
RF vlastnosti	Vynikající (ideální pro 5G/6G, radary)	Horší izolace a vyšší šum
Body Biasing	Pokročilý (široký rozsah ladění)	Velmi omezený (malý efekt)
Škálovatelnost	Omezená (do cca 10nm)	Vysoká (až k 3nm a méně)
Cena waferu	Vyšší (speciální substrát)	Nižší (standardní křemík)

Zatímco FinFET dominuje v oblasti vysoce výkonných procesorů (CPU pro PC, servery, vlajkové smartphony), kde je prioritou maximální hustota tranzistorů a taktovací frekvence, FD-SOI vítězí tam, kde je kritická spotřeba, cena a integrace analogových prvků (RF).

🏭 Výroba a trh Trh s FD-SOI technologiemi je specifický tím, že vyžaduje specializovaný dodavatelský řetězec. Dominantním hráčem na poli substrátů je francouzská společnost Soitec, která drží většinu patentů a výrobních kapacit pro SOI wafery.

V letech 2025 a 2026 se klíčovými výrobními uzly staly 18nm a 12nm, které nahrazují starší 28nm a 22nm procesy. Přechod na menší uzly (10nm a hypoteticky 7nm) je předmětem výzkumu, ale naráží na fyzikální limity planární technologie.

Hlavními výrobci čipů (foundries), kteří nabízejí FD-SOI procesy, jsou:

GlobalFoundries (USA/Singapur): Nabízí platformy 22FDX a 12FDX. Jejich řešení jsou populární v USA a Evropě pro automobilové a IoT aplikace.
Samsung Electronics (Jižní Korea): Zaměřuje se na 28FDS a nově 18FDS pro masovou výrobu spotřební elektroniky a nositelností (wearables).
STMicroelectronics (Švýcarsko/Francie): Využívá technologii interně pro své produkty, zejména řadu mikrokontrolérů STM32 a automobilové procesory. STMicroelectronics je průkopníkem v integraci vestavěné paměti typu PCM (Phase Change Memory) do FD-SOI procesu.

🚗 Aplikace a využití V roce 2026 pokrývá FD-SOI široké spektrum aplikací, které vyžadují specifické vlastnosti této technologie.

Automobilový průmysl (Automotive)

Moderní automobily jsou pojízdnými datacentry. FD-SOI se využívá v systémech ADAS (Advanced Driver Assistance Systems), radarových senzoroch a infotainmentu. Díky odolnosti vůči měkkým chybám (soft errors) způsobeným kosmickým zářením je tato technologie preferována pro bezpečnostně kritické aplikace. Integrovaná ePCM paměť umožňuje rychlé a spolehlivé ukládání firmwaru.

Internet věcí (IoT) a Wearables

Pro chytré hodinky, fitness náramky a senzory chytré domácnosti je klíčová výdrž baterie. Schopnost FD-SOI pracovat při napětí blízkém 0,4 V (near-threshold voltage) umožňuje těmto zařízením fungovat měsíce či roky na jednu baterii. Body biasing se zde využívá k dynamickému přepínání mezi režimem "vysoký výkon" (při měření) a "hluboký spánek".

5G a telekomunikace

V oblasti rádiových frekvencí (RF) vykazuje FD-SOI vynikající linearitu a nízký šum. To je nezbytné pro čipy obsluhující milimetrové vlny (mmWave) v sítích 5G a nastupujících sítích 6G. Společnost GlobalFoundries dodává miliony čipů pro RF front-end moduly do mobilních telefonů právě na bázi této technologie.

Edge AI

S nástupem umělé inteligence na koncových zařízeních (Edge AI) roste potřeba provádět inferenci neuronových sítí přímo v senzorech či kamerách. FD-SOI umožňuje integrovat efektivní akcelerátory AI, které spotřebovávají zlomek energie oproti klasickým GPU.

🔬 Budoucnost a výzkum Ačkoliv se zdálo, že planární technologie narazí na své limity, výzkum v oblasti FD-SOI pokračuje novými směry.

Kvantové počítače

Zajímavostí z ledna 2026 je potvrzení role FD-SOI jako klíčové platformy pro kvantové procesory. Výzkumné týmy, například v rámci projektu Quobly (dříve spojeného s CEA-Leti), prokázaly, že FD-SOI tranzistory lze využít k tvorbě spinových qubitů. Díky možnosti precizního řízení napětí pomocí body biasingu (zadní brány) a schopnosti pracovat v kryogenních teplotách (blízko absolutní nule) se otevírá cesta k výrobě škálovatelných kvantových čipů pomocí standardních průmyslových procesů, což je pro kvantový průmysl "svatý grál".

3D Integrace

Budoucnost FD-SOI leží také v monolitické 3D integraci (CoolCube), kde se vrstvy tranzistorů skládají na sebe nikoliv pomocí pájení čipů, ale přímou výrobou. Nízká tepelná náročnost výroby FD-SOI (Low Temperature Process) umožňuje vrstvit patra bez poškození spodních vrstev.

🎓 Pro laiky Představte si tranzistor jako vodovodní kohoutek.

U klasického tranzistoru (Bulk CMOS) teče voda trubkou, která je sice uzavřená, ale má netěsnosti. I když kohoutek zavřete, voda (proud) stále trochu kape (uniká). Čím je trubka menší, tím hůře se těsní a tím více vody prokape zbytečně.
Technologie FinFET řeší tento problém tak, že kolem trubky postaví složité lešení a kohoutek ovládá ze tří stran (jako byste trubku zmáčkli rukou ze tří směrů). To funguje skvěle, kohoutek neteče, ale postavit takové lešení je strašně drahé a složité.
Technologie FD-SOI na to jde chytře. Pod trubku položí dokonalou nepropustnou desku (izolant). Voda nemůže protékat dnem, takže se dá mnohem lépe kontrolovat. Navíc je ta trubka extrémně tenká, takže ji ovládací kohoutek "zmáčkne" celou naprosto bez námahy. A třešničkou na dortu je, že na tu spodní desku můžeme připojit "turbo tlačítko" (body bias), kterým můžeme buď zrychlit průtok vody, když spěcháme, nebo ho úplně utěsnit, když chceme šetřit vodu. Je to levnější na výrobu než složité lešení FinFETu a pro spoustu účelů (jako auta nebo mobily) to funguje lépe.

== Zdroje