第三代半導(dǎo)體來了，芯片行業(yè)會“變天”嗎？
第三代半導(dǎo)體來了，芯片行業(yè)會“變天”嗎？
來源： 中國科學(xué)報 作者：張雙虎
氮化鎵互補(bǔ)型邏輯電路擁有一系列“類CMOS”的優(yōu)點。圖片來源：unsplash
5納米、2納米、1納米……
作為當(dāng)前芯片制造行業(yè)的主流技術(shù)，硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)已“接近物理極限”。這也意味著，“彎道超車”的機(jī)會越來越渺茫，“多道賽車”成為業(yè)內(nèi)的選擇。
最近，香港科技大學(xué)和南方科技大學(xué)研究人員分別在《自然—電子學(xué)》等期刊發(fā)表論文，報道了“氮化鎵基互補(bǔ)邏輯集成電路”和“氮化鎵高壓多溝道器件技術(shù)”領(lǐng)域取得的突破，這或成為第三代半導(dǎo)體賽道上的一抹曙光。
適時的工作：氮化鎵基互補(bǔ)邏輯集成電路
硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體可以獲得極高的能源效率，與此同時，硅材料較窄的帶隙也限制了硅基集成電路的使用場景。
而寬禁帶半導(dǎo)體，如氮化鎵等在電力電子、射頻電子、顯示照明和嚴(yán)酷環(huán)境中的出色表現(xiàn)，讓人們對其應(yīng)用前景充滿期待。由于缺乏在單個襯底上集成n溝道和p溝道場效應(yīng)晶體管的合適策略，氮化鎵基CMOS邏輯電路的開發(fā)進(jìn)程緩慢。
“我們首次展示了一個完整的基本邏輯門集合，以及多級邏輯門集成更復(fù)雜邏輯電路的能力。”香港科技大學(xué)教授陳敬說，“這種氮化鎵互補(bǔ)型邏輯電路擁有一系列‘類CMOS’的優(yōu)點。這些電路可以工作在兆赫茲頻率，并且擁有出色的熱穩(wěn)定性，一定程度上體現(xiàn)了寬禁帶半導(dǎo)體的優(yōu)勢?！?/p>
在該研究中，陳敬團(tuán)隊制備了完備的基本邏輯門集合——包括非、與非、或非和傳輸門。其中，以反相器為代表的邏輯門展現(xiàn)出100%軌到軌輸出能力、顯著抑制的靜態(tài)功耗、良好的熱穩(wěn)定性和充分的噪聲容限，單項指標(biāo)與綜合性能均為已報道的同類反相器中之最佳。
“這是個很漂亮而且很適時的工作?！比鹗柯迳Ｂ?lián)邦理工學(xué)院微納技術(shù)中心博士劉駿秋在接受《中國科學(xué)報》采訪時表示。
除了完備的單級基本邏輯門，陳敬團(tuán)隊進(jìn)一步展示了由多級互補(bǔ)型邏輯門組成的擁有較高復(fù)雜度的集成電路。多級集成能力的證明，對將氮化鎵基CMOS技術(shù)推向?qū)嵱镁哂兄匾饬x。
南方科技大學(xué)電子與電氣工程系助理教授馬俊認(rèn)為，該技術(shù)首先可用于開發(fā)高能效的新一代電能轉(zhuǎn)換芯片——氮化鎵電力電子集成電路，對降低電能損耗和減少碳排放具有非常重要的意義；其次能擴(kuò)展氮化鎵的應(yīng)用方向，例如用于開發(fā)航空航天等需要耐受嚴(yán)酷環(huán)境（高溫、輻射等條件下）的新型特種計算控制芯片。
“該論文是氮化鎵集成電路方向的重要里程碑，對氮化鎵基芯片的發(fā)展具有重要意義。”馬俊告訴《中國科學(xué)報》。
基礎(chǔ)器件突破：氮化鎵高壓多溝道電力電子器件
作為第一代半導(dǎo)體材料，鍺和硅已在各類電子器件和集成電路上廣泛應(yīng)用。以砷化鎵和磷化銦為代表的三五族化合物半導(dǎo)體材料被認(rèn)為是第二代半導(dǎo)體，它的某些性能優(yōu)點彌補(bǔ)了硅晶體的缺點，從而生產(chǎn)出符合更高要求的產(chǎn)品。
第三代半導(dǎo)體是以氮化鎵、碳化硅、氧化鋅、金剛石、氮化鋁為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料。
在應(yīng)用方面，第三代半導(dǎo)體在照明、電力電子器件、激光器和探測器等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)成熟度各不相同，在一些前沿研究領(lǐng)域，寬禁帶半導(dǎo)體還處于實驗室研發(fā)階段。
“第三代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的發(fā)展日新月異?！眲ⅡE秋說，“比如氮化鎵、碳化硅、鋁鎵砷等，主要用來制備電芯片。而光芯片領(lǐng)域，目前最成熟的材料硅、磷化銦已經(jīng)以商業(yè)化為主。碳化硅目前已經(jīng)開始從實驗室走向成熟產(chǎn)業(yè)和商業(yè)化，而鈮酸鋰材料目前中國的研究也很前沿，很多大學(xué)都有相關(guān)的研究。值得一提的是，國際與國內(nèi)很多領(lǐng)先的研究組已經(jīng)開始研究利用第三代半導(dǎo)體材料實現(xiàn)光電集成?！?/p>
在發(fā)表于國際電子器件大會（IEDM）和《自然—電子學(xué)》的文章中，馬俊團(tuán)隊和瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)、蘇州晶湛半導(dǎo)體有限公司合作，通過原創(chuàng)性的高壓多溝道電力電子器件技術(shù)，開辟了氮化鎵電力電子器件研究的新領(lǐng)域，“有可能改變第三代半導(dǎo)體電力電子器件技術(shù)發(fā)展的趨勢”。
“現(xiàn)有氮化鎵電力電子器件的主流方案是硅基氮化鎵器件，其品質(zhì)因子受擊穿電壓和導(dǎo)通電阻的基礎(chǔ)性限制，遠(yuǎn)未達(dá)到氮化鎵材料的理論極限，近10年來進(jìn)步甚微?！瘪R俊說。
為解決這一問題，馬俊等人用高壓多溝道器件技術(shù)，在獲得1200V高擊穿電壓的同時將器件的導(dǎo)通電阻降低為原來的1/5，將硅上氮化鎵電力電子器件品質(zhì)因子的國際紀(jì)錄提升了4倍。
此后，馬俊又以共同第一作者，將該技術(shù)的后續(xù)工作——1300V的常關(guān)型多溝道硅基氮化鎵高遷移率晶體管研究成果發(fā)表于《自然—電子學(xué)》。
“這項工作是氮化鎵電力電子器件領(lǐng)域的重大進(jìn)步。”氮化鎵電子器件領(lǐng)域?qū)＜?、英國布里斯托大學(xué)教授Martin Kuball在《自然—電子學(xué)》撰寫專文評論說，“該技術(shù)使氮化鎵器件的性能大幅接近其理論極限，且顯著地超過了現(xiàn)有的碳化硅器件?！?br/>
《自然—電子學(xué)》在其編輯部報道中提到，“我們重點推薦的第三篇文章是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的合作成果，即馬俊、Elison Matioli和他們同事匯報的多溝道器件技術(shù)”，展示了該技術(shù)巨大的價值和潛力。
基礎(chǔ)+集成：改變行業(yè)版圖
“氮化鎵電子器件及集成電路家族因氮化鎵基CMOS的加入而更加完整，實現(xiàn)氮化鎵基計算控制芯片已經(jīng)成為可能，氮化鎵電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域會進(jìn)一步擴(kuò)展?！标惥凑f，“以高電子遷移率晶體管（HEMT）為代表的n溝道氮化鎵器件已歷逾25年的研發(fā)，近年來已開啟了快速商業(yè)化的進(jìn)程。”
“氮化鎵基芯片未來的發(fā)展將有很大可能呈現(xiàn)‘基礎(chǔ)化+集成化’的趨勢?！瘪R俊說。
馬俊解釋說，基礎(chǔ)化是因為現(xiàn)有氮化鎵電子器件的性能遠(yuǎn)未達(dá)到氮化鎵材料的理論極限。因此，氮化鎵基芯片的未來發(fā)展將首先聚焦于新型基礎(chǔ)性器件技術(shù)的開發(fā)，尋求基礎(chǔ)元器件性能的突破性進(jìn)展，達(dá)到全面利用氮化鎵材料性能優(yōu)勢的目的。
例如，在氮化鎵材料擅長的射頻和電力電子領(lǐng)域，新型的多溝道結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)等技術(shù)正在推動氮化鎵射頻電子器件和電力電子器件性能的成倍提高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)的硅器件和現(xiàn)有的氮化鎵器件。同時，高性能的p溝道晶體管對氮化鎵互補(bǔ)性邏輯電路的進(jìn)一步發(fā)展也至關(guān)重要。
“這些基礎(chǔ)器件性能的突破，將為氮化鎵芯片的未來發(fā)展提供更廣闊的可能。”馬俊說，“集成是半導(dǎo)體發(fā)展的重要目標(biāo)，氮化鎵基芯片的未來發(fā)展也將沿著集成化的方向發(fā)展。”
馬俊認(rèn)為，集成化主要體現(xiàn)在兩個方面。
一是氮化鎵器件家族將不斷擴(kuò)大，包括氮化鎵互補(bǔ)型邏輯門技術(shù)和肖特基二極管等關(guān)鍵基礎(chǔ)單元，將向著實用化方向不斷完善，最終形成完整的氮化鎵射頻電子和電力電子集成電路解決方案；二是氮化鎵與傳統(tǒng)硅基材料和芯片的集成技術(shù)也將不斷發(fā)展。根據(jù)不同的應(yīng)用，通過異質(zhì)集成、片上集成、封裝集成等多種方法，選擇并集成最適配的硅基和氮化鎵基芯片，形成最佳性能與最優(yōu)成本的集成電路解決方案。
我們期待，芯片制造業(yè)的版圖將因第三代半導(dǎo)體駛?cè)胭惖蓝淖儭?br/>
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