繞道摩爾定律，中科院研究員探索半導(dǎo)體的“雜交水稻”技術(shù)

當(dāng)前，集成電路主要采用硅作為襯底材料。但與硅相比，磷化銦（InP）、氮化鎵（GaN）、氧化鎵（Ga?O?）等化合物半導(dǎo)體具有更豐富的能帶結(jié)構(gòu)和更優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)特性。與此同時(shí)，硅材料已經(jīng)接近了物理極限，如果將化合物半導(dǎo)體和硅結(jié)合，可以在保持原有器件和工藝尺寸的基礎(chǔ)上繼續(xù)推進(jìn)微電子器件性能。

半導(dǎo)體異質(zhì)集成技術(shù)就是將不同工藝節(jié)點(diǎn)的化合物半導(dǎo)體高性能器件或芯片與硅基低成本高集成器件芯片，通過(guò)異質(zhì)鍵合成或外延生長(zhǎng)等方式集成。這種化合物半導(dǎo)體異質(zhì)集成技術(shù)類似于雜交水稻，可以將不同功能的材料組合在一起，取長(zhǎng)補(bǔ)短、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，異質(zhì)材料界面產(chǎn)生更優(yōu)異的電、光、聲、熱物理特性，可以實(shí)現(xiàn)更高功率、更高頻率、更高速率的光子與電子器件。

中科院上海微系統(tǒng)所歷來(lái)主攻方向之一是高端硅基材料及應(yīng)用，上世紀(jì)80年代中期開(kāi)展了絕緣體上硅（SOI）材料的研究。進(jìn)入新世紀(jì)，SOI材料實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。SOI類似三明治結(jié)構(gòu)，在頂層硅和底層硅襯底之間引入一層二氧化硅。

除了高質(zhì)量硅基磷化銦異質(zhì)集成，他們也在研究高導(dǎo)熱氧化鎵異質(zhì)集成晶圓。氧化鎵被認(rèn)為是繼氮化鎵、碳化硅后最有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，在功率器件領(lǐng)域具有應(yīng)用前景，但其致命缺陷是熱導(dǎo)率低、散熱能力差，影響器件壽命。2018年起，游天桂團(tuán)隊(duì)探索把氧化鎵與具有高熱導(dǎo)率的襯底集成，從而幫助其散熱，他們用離子束剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)氧化鎵單晶薄膜與高導(dǎo)熱襯底（Si或SiC）的異質(zhì)集成，氧化鎵功率器件的散熱能力提升4倍，解決了氧化鎵器件的散熱瓶頸。

游天桂團(tuán)隊(duì)也在探索解決高導(dǎo)熱氧化鎵異質(zhì)集成晶圓的工藝難題。用離子束剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)將兩種材料“貼”在一起，由于材料熱膨脹系數(shù)不同，溫度升高，材料膨脹，產(chǎn)生應(yīng)力，材料間相互拉扯易破壞異質(zhì)集成材料。為此，材料間必須緊密貼合。不同于過(guò)去采用日本的鍵合技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)自主可控，游天桂團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了熱鍵合技術(shù)，既減小應(yīng)力，也無(wú)需在真空環(huán)境中操作，更適合量產(chǎn)。

西安郵電大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成功制備高耐壓性能半導(dǎo)體材料

近日，我校由電子工程學(xué)院管理的新型半導(dǎo)體器件與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳海峰教授團(tuán)隊(duì)成功在8寸硅片上制備出了高質(zhì)量的氧化鎵外延片，這一成果標(biāo)志著我校在超寬禁帶半導(dǎo)體研究上取得重要進(jìn)展。

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人陳海峰教授介紹，氧化鎵是一種超寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的耐高壓與日盲紫外光響應(yīng)特性，在功率器件和光電領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。硅上氧化鎵異質(zhì)外延有利于硅電路與氧化鎵電路的直接集成，同時(shí)擁有成本低和散熱好等優(yōu)勢(shì)。

新型半導(dǎo)體器件與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聘請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院院士、微電子學(xué)與固體電子學(xué)家郝躍院士為首席科學(xué)家，團(tuán)隊(duì)師生共30余人，擁有完整的氧化鎵工藝實(shí)驗(yàn)線及超凈工藝間，主要研究超寬禁帶氧化鎵材料與器件。團(tuán)隊(duì)在氧化鎵材料生長(zhǎng)、器件制備、測(cè)試表征等方面具有豐富的科研經(jīng)驗(yàn)，承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金、陜西省教育廳基金資助的多個(gè)研究項(xiàng)目，在物理學(xué)報(bào)、半導(dǎo)體學(xué)報(bào)、IEEE Electron Device Letters、Journal of Applied Physics、IEEE Transactions on Electron Devices、Physics Letters A、Nanotechnology、Applied Surface Science、Carbon等發(fā)表研究論文100余篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利20余項(xiàng)。

耕耘在人工晶體的春天里

與兩年前相比，走入公司展廳為記者作介紹時(shí)，張學(xué)鋒的臉上多了一分喜悅，因?yàn)樗j釀了許久的新的研發(fā)項(xiàng)目目前已經(jīng)有了實(shí)質(zhì)性的推進(jìn)。

新項(xiàng)目是第四代半導(dǎo)體材料氧化鎵單晶材料研究及產(chǎn)業(yè)化，列入寧夏2022年重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。該項(xiàng)目是張學(xué)鋒幾年前就給自己立下的一面旗幟，他更希望通過(guò)自己的方式解決研發(fā)路上遇到的各種問(wèn)題，而不是“抄作業(yè)”。

氧化鎵是一種新型超寬禁帶半導(dǎo)體材料，是被國(guó)際普遍認(rèn)可的第四代半導(dǎo)體材料。與碳化硅、氮化鎵等第三代半導(dǎo)體材料相比，氧化鎵的成本更加低廉、性能更加優(yōu)越，在超高壓輸電、高速鐵路、航空航天及軍事武器等關(guān)鍵領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，前景廣闊。雖然氧化鎵目前還處于研發(fā)階段，但各國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)都在爭(zhēng)相布局。

“現(xiàn)狀是國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)成本非常高，4英寸的氧化鎵晶片售價(jià)在4萬(wàn)元至6萬(wàn)元之間，這樣的價(jià)格，在民用行業(yè)幾乎不可能得到應(yīng)用。我想通過(guò)自己的技術(shù)來(lái)解決這個(gè)生產(chǎn)效率比較低、生產(chǎn)成本比較高的問(wèn)題，讓氧化鎵晶片能夠應(yīng)用在民用行業(yè)，做出來(lái)的產(chǎn)品讓普通百姓用得起。”張學(xué)鋒說(shuō)。

一個(gè)研發(fā)項(xiàng)目從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)入產(chǎn)業(yè)化并非易事，有技術(shù)層面的無(wú)數(shù)挑戰(zhàn)，亦有預(yù)想不到的市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)。但是，張學(xué)鋒決定放手一搏。由于張學(xué)鋒的公司屬于創(chuàng)新型小微企業(yè)，為了擴(kuò)產(chǎn)申請(qǐng)銀行貸款很難。為了爭(zhēng)取投資，最近幾個(gè)月，張學(xué)鋒多次南下，目前正在合作洽談中。此外，鄭州大學(xué)也向他拋來(lái)了橄欖枝，雙方經(jīng)過(guò)籌備，計(jì)劃今年4月掛牌成立聯(lián)合研究院，共同擘畫第四代半導(dǎo)體材料氧化鎵單晶材料研究及產(chǎn)業(yè)化藍(lán)圖。

山西華芯半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基地項(xiàng)目（二期）預(yù)計(jì)年底全面建成投產(chǎn)

據(jù)山西綜改示范區(qū)官微信息，近日，山西綜改示范區(qū)山西華芯半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基地項(xiàng)目（二期）車間主體工程已開(kāi)始建設(shè)，預(yù)計(jì)2023年底，該項(xiàng)目將全面建成投產(chǎn)。

據(jù)悉，山西華芯半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基地是青島華芯晶電科技有限公司在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重大戰(zhàn)略布局，計(jì)劃總投資5.52億元。目前，一期項(xiàng)目2022年已實(shí)現(xiàn)當(dāng)年開(kāi)工、當(dāng)年投產(chǎn)、當(dāng)年上規(guī)。二期項(xiàng)目全面建成投產(chǎn)后，將布局大尺寸藍(lán)寶石生長(zhǎng)、大尺寸磷化銦晶體生長(zhǎng)加工、軍工大尺寸透明裝甲單晶生產(chǎn)研發(fā)、氧化鎵晶體研發(fā)、生長(zhǎng)及晶體加工項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)中高端半導(dǎo)體化合物材料全覆蓋。

基地負(fù)責(zé)人孟凡旗表示，山西華芯半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基地將積極引進(jìn)上下游企業(yè)，如設(shè)備類、芯片封裝類企業(yè)，共同打造國(guó)內(nèi)先進(jìn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)集群。