?隨著集成電路晶體管密度越來越接近物理極限，傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體材料在提升性能和降低成本方面遇到了瓶頸，單純依靠提高制程來提升集成電路性能變得越來越困難，產(chǎn)業(yè)界開始將目光投向化合物半導(dǎo)體材料，尤其是寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件以及芯片制程的多樣化趨勢，這些新材料和新技術(shù)為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展開辟了新的路徑。

化合物半導(dǎo)體芯片優(yōu)越的功率特性

本文提煉總結(jié)了中國科學(xué)院院士、西安電子科技大學(xué)教授郝躍曾在九峰山論壇上分享的前瞻性精彩洞察，重點(diǎn)聚焦化合物半導(dǎo)體材料與器件發(fā)展的三大方向進(jìn)展，值得關(guān)注。

2025年4月23-25日，2025九峰山論壇暨化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)博覽會也將在武漢光谷科技會展中心再次啟航，誠摯邀請全球化合物半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的專家學(xué)者、行業(yè)領(lǐng)航者及創(chuàng)新先鋒，十大平行論壇報(bào)告征集方向等您來“論”道，攜手點(diǎn)亮化合物半導(dǎo)體行業(yè)的輝煌未來！

01進(jìn)展一：硅基新型高遷移率材料與晶體管

眾所周知，提高M(jìn)OS晶體管工作頻率可以從減小器件的有效溝道長度以及提高材料的載流子遷移率兩個(gè)維度進(jìn)行改善。在減小器件的有效溝道長度上，從平面結(jié)構(gòu)到FinFET再到GAAFET結(jié)構(gòu)都遵循著這一原則。而若從提高材料的載流子遷移率上考慮，傳統(tǒng)硅基材料在尺寸微縮極限下遇到的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，例如量子限域效應(yīng)、隧道效應(yīng)、短溝道效應(yīng)、漏電流等問題變得越來越嚴(yán)重，是造成集成電路工藝復(fù)雜性和系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度顯著提升的重要因素。

圖片來源：郝院士演講PPT

郝院士表示，化合物材料的開發(fā)和應(yīng)用對于維持制程演進(jìn)至關(guān)重要，成為延續(xù)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力之一。新材料有很多方向，例如使用Ge、GeSn或III-V族化合物半導(dǎo)體作為溝道材料，與傳統(tǒng)硅基組合成CMOS提高載流子遷移率，在提高器件性能上展示了巨大的潛力，雖然現(xiàn)階段受限于成本因素還僅在實(shí)驗(yàn)室研究階段。

圖片來源：郝院士演講PPT

另一方面，隨著新興應(yīng)用不斷出現(xiàn)，芯片三維集成技術(shù)發(fā)展明顯加快。作為集成電路從傳統(tǒng)平面集成方式向垂直方向立體集成方式延伸的產(chǎn)物，三維集成的優(yōu)勢包括多層器件重疊結(jié)構(gòu)使芯片集成度成倍提高；TSV和混合鍵合工藝使芯片間互連長度大幅度縮短，提高傳輸速度并降低了功耗；多種工藝混合集成使集成電路功能多樣化；減少封裝尺寸降低設(shè)計(jì)和制造成本等。目前，三維集成技術(shù)在存儲器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是flash memory層數(shù)已達(dá)數(shù)百層，這也啟發(fā)了業(yè)界對于是否能在邏輯電路中通過化合物半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)芯片多層結(jié)構(gòu)的思考。

02進(jìn)展二：氮化物半導(dǎo)體器件發(fā)展

氮化物是當(dāng)前所有的寬禁帶半導(dǎo)體中唯一能做二維電子氣的材料，它可以完全靠極化來不斷調(diào)節(jié)二維電子氣的密度，通過調(diào)節(jié)勢壘層的材料和厚度即可，這是它的一個(gè)非常好的優(yōu)點(diǎn)特性。其中，氮化鎵射頻器件因其優(yōu)異性能，已成為全球半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)和世界各國競相搶占的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

圖片來源：郝院士演講PPT

郝院士研究團(tuán)隊(duì)在氮化鎵材料方面進(jìn)行了多年持續(xù)研究，在高功率密度氮化鎵毫米波功率器件、低損傷氮化鎵增強(qiáng)型射頻器件關(guān)鍵技術(shù)、低壓高效率氮化鎵射頻功率器件、超高頻氮化鎵器件等技術(shù)方向取得了一系列突破進(jìn)展。例如70nm柵長氮化鎵超高頻器件，實(shí)現(xiàn)了在k波段下55%的功率附加效率，遠(yuǎn)超砷化鎵器件在這方面的表現(xiàn)，為6G通信技術(shù)提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。作為實(shí)現(xiàn)微波和大功率半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵，氮化鎵在太赫茲波段的低損耗特性，在毫米波和太赫茲通信領(lǐng)域同樣表現(xiàn)優(yōu)異。

郝院士同時(shí)還提到硅基氮化鎵材料在降低成本方面具有潛力，但在降低損耗上面臨挑戰(zhàn)，至于未來氮化物半導(dǎo)體的研究挑戰(zhàn)則如同碳化硅一樣，主要是功率密度的上限能高到什么程度以及如何解決空間輻照挑戰(zhàn)。如果這些問題不能得到解決，高效的氮化鎵電源器件就很難進(jìn)入航空航天領(lǐng)域應(yīng)用。

03進(jìn)展三：氧化鎵超寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展趨勢

與當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界火熱的第三代半導(dǎo)體相比，近年來氧化物半導(dǎo)體同樣吸引了行業(yè)的極大關(guān)注。氧化鎵是超寬禁帶半導(dǎo)體的典型代表，禁帶寬度高達(dá)（~4.8 eV），臨界擊穿場強(qiáng)高達(dá)（~8 MV/cm），是研制高耐壓、大功率和高效節(jié)能半導(dǎo)體器件的理想半導(dǎo)體材料之一。在相同耐壓情況下，氧化鎵功率器件具有更低的導(dǎo)通電阻，可實(shí)現(xiàn)高擊穿、低功耗和低成本器件芯片三重優(yōu)勢，在電力傳輸轉(zhuǎn)換、電動(dòng)汽車、高鐵等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用前景。

圖片來源：郝院士演講PPT

不過，氧化物也有弱點(diǎn)就是散熱問題，不解決它的散熱問題，就不可能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。據(jù)郝院士介紹，目前微系統(tǒng)所和西電采用smart cut轉(zhuǎn)移了wafer級氧化鎵薄膜于高熱導(dǎo)率襯底，部分解決了氧化鎵襯底低熱導(dǎo)率的問題，實(shí)現(xiàn)了4英寸氧化鎵材料的轉(zhuǎn)移。雖然氧化物半導(dǎo)體離真正產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離，但已讓人看到了應(yīng)用前景。

異構(gòu)集成技術(shù)引領(lǐng)半導(dǎo)體未來發(fā)展面對后摩爾時(shí)代的挑戰(zhàn)，化合物半導(dǎo)體材料和器件的發(fā)展為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來了全新的方向和機(jī)遇。從硅基新型高遷移率材料到氮化物半導(dǎo)體，再到氧化鎵超寬禁帶半導(dǎo)體，這些新材料的不斷涌現(xiàn)和發(fā)展，不僅拓寬了半導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，也為集成電路性能的提升提供了新的可能性。

在這一背景下，實(shí)現(xiàn)硅基集成電路與化合物半導(dǎo)體的多功能集成顯得尤為重要，無論是光電子還是傳感器，或是功率電子，都可以與硅集成電路廣泛的集成在一起以提升單一器件的性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)真正意義上的多功能，在后摩爾時(shí)代推動(dòng)我國整個(gè)電子信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展。

2025年4月23-25日，九峰山論壇將在武漢光谷科技會展中心再次啟航，現(xiàn)誠摯邀請全球化合物半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的專家學(xué)者、行業(yè)領(lǐng)航者及創(chuàng)新先鋒蒞臨盛會，發(fā)表精彩演講，共享智慧火花，攜手點(diǎn)亮化合物半導(dǎo)體行業(yè)的輝煌未來。

本屆論壇將延續(xù)“1個(gè)主論壇+N個(gè)專題論壇+N個(gè)特色活動(dòng)”的多元化架構(gòu)，為參會者提供全方位、多層次的交流體驗(yàn)。歡迎有志于共同推動(dòng)行業(yè)發(fā)展的單位加入，共同組織專題論壇或同期活動(dòng)，攜手打造更加豐富多彩的九峰山論壇，共同推動(dòng)化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)邁向新的高度。期待與您相聚九峰山論壇，共謀發(fā)展，同創(chuàng)未來，攜手開啟化合物半導(dǎo)體行業(yè)的新篇章！

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