第三代半導體來了，芯片行業會“變天”嗎？
第三代半導體來了，芯片行業會“變天”嗎？
來源： 中國科學報 作者：張雙虎
氮化鎵互補型邏輯電路擁有一系列“類CMOS”的優點。圖片來源：unsplash
5納米、2納米、1納米……
作為當前芯片制造行業的主流技術，硅基互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術已“接近物理極限”。這也意味著，“彎道超車”的機會越來越渺茫，“多道賽車”成為業內的選擇。
最近，香港科技大學和南方科技大學研究人員分別在《自然—電子學》等期刊發表論文，報道了“氮化鎵基互補邏輯集成電路”和“氮化鎵高壓多溝道器件技術”領域取得的突破，這或成為第三代半導體賽道上的一抹曙光。
適時的工作：氮化鎵基互補邏輯集成電路
硅基互補金屬氧化物半導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。
而寬禁帶半導體，如氮化鎵等在電力電子、射頻電子、顯示照明和嚴酷環境中的出色表現，讓人們對其應用前景充滿期待。由于缺乏在單個襯底上集成n溝道和p溝道場效應晶體管的合適策略，氮化鎵基CMOS邏輯電路的開發進程緩慢。
“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雜邏輯電路的能力。”香港科技大學教授陳敬說，“這種氮化鎵互補型邏輯電路擁有一系列‘類CMOS’的優點。這些電路可以工作在兆赫茲頻率，并且擁有出色的熱穩定性，一定程度上體現了寬禁帶半導體的優勢。”
在該研究中，陳敬團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出100%軌到軌輸出能力、顯著抑制的靜態功耗、良好的熱穩定性和充分的噪聲容限，單項指標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。”瑞士洛桑聯邦理工學院微納技術中心博士劉駿秋在接受《中國科學報》采訪時表示。
除了完備的單級基本邏輯門，陳敬團隊進一步展示了由多級互補型邏輯門組成的擁有較高復雜度的集成電路。多級集成能力的證明，對將氮化鎵基CMOS技術推向實用具有重要意義。
南方科技大學電子與電氣工程系助理教授馬俊認為，該技術首先可用于開發高能效的新一代電能轉換芯片——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；其次能擴展氮化鎵的應用方向，例如用于開發航空航天等需要耐受嚴酷環境（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展具有重要意義。”馬俊告訴《中國科學報》。
基礎器件突破：氮化鎵高壓多溝道電力電子器件
作為第一代半導體材料，鍺和硅已在各類電子器件和集成電路上廣泛應用。以砷化鎵和磷化銦為代表的三五族化合物半導體材料被認為是第二代半導體，它的某些性能優點彌補了硅晶體的缺點，從而生產出符合更高要求的產品。
第三代半導體是以氮化鎵、碳化硅、氧化鋅、金剛石、氮化鋁為代表的寬禁帶半導體材料。
在應用方面，第三代半導體在照明、電力電子器件、激光器和探測器等領域的產業成熟度各不相同，在一些前沿研究領域，寬禁帶半導體還處于實驗室研發階段。
“第三代半導體材料領域的發展日新月異。”劉駿秋說，“比如氮化鎵、碳化硅、鋁鎵砷等，主要用來制備電芯片。而光芯片領域，目前最成熟的材料硅、磷化銦已經以商業化為主。碳化硅目前已經開始從實驗室走向成熟產業和商業化，而鈮酸鋰材料目前中國的研究也很前沿，很多大學都有相關的研究。值得一提的是，國際與國內很多領先的研究組已經開始研究利用第三代半導體材料實現光電集成。”
在發表于國際電子器件大會（IEDM）和《自然—電子學》的文章中，馬俊團隊和瑞士洛桑聯邦理工大學、蘇州晶湛半導體有限公司合作，通過原創性的高壓多溝道電力電子器件技術，開辟了氮化鎵電力電子器件研究的新領域，“有可能改變第三代半導體電力電子器件技術發展的趨勢”。
“現有氮化鎵電力電子器件的主流方案是硅基氮化鎵器件，其品質因子受擊穿電壓和導通電阻的基礎性限制，遠未達到氮化鎵材料的理論極限，近10年來進步甚微。”馬俊說。
為解決這一問題，馬俊等人用高壓多溝道器件技術，在獲得1200V高擊穿電壓的同時將器件的導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因子的國際紀錄提升了4倍。
此后，馬俊又以共同第一作者，將該技術的后續工作——1300V的常關型多溝道硅基氮化鎵高遷移率晶體管研究成果發表于《自然—電子學》。
“這項工作是氮化鎵電力電子器件領域的重大進步。”氮化鎵電子器件領域專家、英國布里斯托大學教授Martin Kuball在《自然—電子學》撰寫專文評論說，“該技術使氮化鎵器件的性能大幅接近其理論極限，且顯著地超過了現有的碳化硅器件。”
《自然—電子學》在其編輯部報道中提到，“我們重點推薦的第三篇文章是學術界和工業界的合作成果，即馬俊、Elison Matioli和他們同事匯報的多溝道器件技術”，展示了該技術巨大的價值和潛力。
基礎+集成：改變行業版圖
“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，實現氮化鎵基計算控制芯片已經成為可能，氮化鎵電子技術的應用領域會進一步擴展。”陳敬說，“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，近年來已開啟了快速商業化的進程。”
“氮化鎵基芯片未來的發展將有很大可能呈現‘基礎化+集成化’的趨勢。”馬俊說。
馬俊解釋說，基礎化是因為現有氮化鎵電子器件的性能遠未達到氮化鎵材料的理論極限。因此，氮化鎵基芯片的未來發展將首先聚焦于新型基礎性器件技術的開發，尋求基礎元器件性能的突破性進展，達到全面利用氮化鎵材料性能優勢的目的。
例如，在氮化鎵材料擅長的射頻和電力電子領域，新型的多溝道結構和納米結構等技術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，遠遠超出傳統的硅器件和現有的氮化鎵器件。同時，高性能的p溝道晶體管對氮化鎵互補性邏輯電路的進一步發展也至關重要。
“這些基礎器件性能的突破，將為氮化鎵芯片的未來發展提供更廣闊的可能。”馬俊說，“集成是半導體發展的重要目標，氮化鎵基芯片的未來發展也將沿著集成化的方向發展。”
馬俊認為，集成化主要體現在兩個方面。
一是氮化鎵器件家族將不斷擴大，包括氮化鎵互補型邏輯門技術和肖特基二極管等關鍵基礎單元，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；二是氮化鎵與傳統硅基材料和芯片的集成技術也將不斷發展。根據不同的應用，通過異質集成、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成本的集成電路解決方案。
我們期待，芯片制造業的版圖將因第三代半導體駛入賽道而改變。
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