سیلیکون بر روی عایق

فناوری سیلیکون بر روی عایق(SOI) به استفاده از یک لایه سیلیکون-عایق بر روی سیلیکون به جای استفاده از لایه سیلیکون معمولی در تولید نیمه هادی‌ها، علی‌الخصوص در میکرو الکترونیک برای کاهش ظرفیت پارازیت دستگاه منسوب می‌کند، در نتیجه عملکرد بهبود پیدا می‌کند. افزاره مبتنی بر SOI با افزاره‌های معمولی ساخته شده از سیلیکون که در آن اتصال سیلیکون بر روی عایق الکتریکی است، متفاوت است؛ عمدتاً دی‌اکسید سیلیکون یا یاقوت کبود (این نوع از افزاره‌ها سیلیکون بر روی یاقوت کبود نامیده می‌شوند، یا SOS).انتخاب عایق مناسب تا حد زیادی به مورد کاربری آن بستگی دارد، یاقوت کبود در فرکانس رادیویی (RF) با کارایی بالا و کاربدرهای حساس به تابش و دی‌اکسید سیلیکون برای اثر کانال‌های کوتاه کاهش یافته در افزاره‌های میکرو الکترونیکی استفاده می‌شود. لایهٔ عایق و لایهٔ بالایی سیلیکونی نیز کاربردهای بسیار زیادی را شامل می‌شود.

ترانزیستور SOI

یک MOSFET SOI یک دستگاه نیمه هادی (MOSFET) است که در آن یک لایه نیمه هادی مانند سیلیکون یا ژرمانیوم روی یک لایه عایق قرار داده شده‌است که ممکن است یک لایه اکسید خاکی (BOX) در زیرلایهٔ یک‌نیمه هادی قرار گرفته باشد. دستگاه‌های MOSFET SOI برای استفاده در صنعت رایانه مطابقت داده شده‌اند. یک لایه اکسید خاکی می‌تواند در طراحی حافظه SRAM استفاده شود. دو نوع افزاره SOI وجود دارد: PDSOI MOSFET(از نوع SOI تقریباً خالی شده) و FDSOI MOSFET(از نوع SOI کاملاً خالی شده). برای یک PDSOI MOSFET نوع n یک غشا نوع p فشرده شده بین اکسید گازی و اکسید خاکی بزرگ است، پس منطقه تخلیه نمی‌تواند همهٔ ناحیهٔ p را پوشش دهد؛ پس در بعضی حدود PDSOI مانند یک حجم MOSFET رفتار می‌کند. روشن است که مزایای بیشتری نسبت به حجم MOSFETها دارد. غشا در دستکاه‌های FDSOI بسیار نازک است بنابراین ناحیهٔ تخلیه تمام سطح غشایی را پوشش می‌دهد. در FDSOI دروازه جلو (GOX) تخلیه کمتری نسبت به حجم را حمایت می‌کند، بنابراین یک افزایش هزینه در وارونگی بارها باعث افزایش سرعت سوئیچینگ می‌شود. محدودیت بار تخلیه توسط اکسید خاکی منجر به سرکوب ظرفیت تخلیه شده و به همین دلیل کاهش قابل توجهی از نوسانات زیر باریکه اجازه می‌دهد FDSOI MOSFETها در تعویض دروازه پایین کار کنند که عملیات در توان پایین‌تر را نتیجه می‌دهد. نوسان آستانه جایگزین می‌تواند به کمترین ارزش نظری برای MOSFET در سیصد هزار برسد، که 60mV/decade است. این مقدار ایده‌آل برای اولین بار در شبیه‌سازی عددی نشان داده شد. از دیگر اشکالات MOSFETهای حجمی، مانند افت ولتاژ آستانه و غیره از زمانی که میدان‌های الکتریکی منبع و تخلیه به دلیل اکسید خاک ینمی توانند دخالت کنند، در FDSOIها کاهش پیدا کرده و بهبود پیدا کرده‌است. مشکل اصلی در PDSOI "اثر بدنه شناور (FBE)" است زیرا غشا به هیچ‌یک از لوازم جانبی متصل نیست.

استفاده در صنعت میکروالکترونیک

آی بی ام شروع به استفاده از SOI در پایان بالا RS64-IV "Istar" PowerPC-AS ریز پردازنده در سال ۲۰۰۰ کرد. نمونه‌های دیگری از ریز پردازنده‌های ساخته شده بر اساس تکنولوژی SOI شامل پردازنده‌های AMD 130nm، 90nm، 65nm، 45nm و 32nm تک، دوگانه، چهار، شش و هشت هسته از سال ۲۰۰۱ است. Freescale در اواخر سال 2001 CPU PowerPC ۷۴۵۵ خود را با SOI تعمید داد، در حال حاضر Freescale محصولات SOI را در خطوط ۱۸۰ نانومتر، ۱۳۰ نانومتر، ۹۰ نانومتر و ۴۵ نانومتری ارائه می‌کند. پردازنده‌های مبتنی بر معماری پاور ۹۰ نانومتری در Xbox 360، PlayStation 3 و Wii نیز از تکنولوژی SOI استفاده می‌کنند. پیشنهادات رقابتی از اینتل به استفاده از فناوری CMOS باریک برای هر گره پردازش همچنان ادامه دارد، به جای تمرکز بر زمینه‌های دیگر مانند ترانزیستورهای HKMG و Tri-gate برای بهبود عملکرد ترانزیستور. در ژانویه ۲۰۰۵، محققان اینتل دربارهٔ یک لیزر رامان موجبندی سیلندر سیلیکونی تجربی تکمیل شده با استفاده از SOI گزارش دادند.
همان‌طور که در مورد ریخته‌گری سنتی، TSMC در ژوئیه ۲۰۰۶ ادعا کرد هیچ مشتری از SOI استقبال نکرد، اما نیمه هادی ممتاز به‌طور کامل به SOI اختصاص داده‌است.

استفاده در برنامه‌ها با فرکانس رادیویی (RF) بالا

در سال ۱۹۹۰، یک‌نیمه هادی بیگانه شروع به ساخت یک فناوری فرایند SOI با استفاده از یک گره CMOS استاندارد ۰٬۵ میکرومتر و یک زیربنای پیشرفته یاقوت کبود کرد. فرایند انحصاری سیلیکون بر روی یاقوت کبود (SOS) به‌طور گسترده در برنامه‌ها با فرکانس رادیویی بالا استفاده می‌شود. مزایای ذاتی زیر لایه عایق یاقوت کبود اجازهٔ ایزوله کردن بالا، خطی کردن بالا و تحمل تخلیه الکترو-استاتیکی را می‌دهد. شرکت‌های چندگانه همچنین تکنولوژی SOI را برای برنامه‌های RF موفق در گوشی‌های هوشمند و رادیوهای تلفن همراه کاربردی کرده‌اند.

استفاده در فتونیک (الکترونیک نوری)

ویفرهای SOI به‌طور گسترده در فتونیک‌های سیلیکونی استفاده می‌شوند. می‌توان از لایه سیلیکون کریستالی بر روی عایق برای ساخت موجک‌های نوری و سایر دستگاه‌های نوری، به صورت غیرفعال یا فعال (از طریق ایمپلنت‌های مناسب) استفاده کرد. عایق دفن شده امکان پخش نور مادون قرمز بر روی لایه سیلیکونی را بر اساس انعکاس داخلی کل را فراهم می‌کند. سطح بالای موجبرها می‌توانند به صورت غیرقابل کشف و در معرض هوا (به عنوان مثال برای سنجش برنامه‌ها) یا پوشش داده شده با روکش، معمولاً از سیلیکا ساخته شود.