?隨著集成電路晶體管密度越來(lái)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(lái)提升集成電路性能變得越來(lái)越困難，產(chǎn)業(yè)界開(kāi)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(shì)，這些新材料和新技術(shù)為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的未來(lái)發(fā)展開(kāi)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(guó)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(huì)也將在武漢光谷科技會(huì)展中心再次啟航，誠(chéng)摯邀請(qǐng)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(lái)“論”道，攜手點(diǎn)亮化合物半導(dǎo)體行業(yè)的輝煌未來(lái)！

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(zhǎng)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(zhǎng)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(wèn)題變得越來(lái)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(lái)源：郝院士演講PPT

郝院士表示，化合物材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用對(duì)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(lái)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(shì)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(zhǎng)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(chǔ)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(duì)于是否能在邏輯電路中通過(guò)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(lái)不斷調(diào)節(jié)二維電子氣的密度，通過(guò)調(diào)節(jié)勢(shì)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(guó)競(jìng)相搶占的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

圖片來(lái)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(zhǎng)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(lái)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(wèn)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(shì)

與當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界火熱的第三代半導(dǎo)體相比，近年來(lái)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(chǎng)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(shì)，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(lái)源：郝院士演講PPT

不過(guò)，氧化物也有弱點(diǎn)就是散熱問(wèn)題，不解決它的散熱問(wèn)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(jí)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(wèn)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(lái)發(fā)展面對(duì)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(lái)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(wú)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(guó)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(huì)展中心再次啟航，現(xiàn)誠(chéng)摯邀請(qǐng)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(huì)，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(lái)。

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(huì)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(lái)，攜手開(kāi)啟化合物半導(dǎo)體行業(yè)的新篇章！

2025年，CSE展會(huì)面積將首次超過(guò)2萬(wàn)平方米，擬邀展商數(shù)量超過(guò)300家，擬邀請(qǐng)包括全球知名新能源汽車廠商、功率半導(dǎo)體廠商等在內(nèi)的專業(yè)買(mǎi)家近百家，規(guī)模創(chuàng)新高。誠(chéng)邀各位業(yè)界同仁蒞臨參觀指導(dǎo)，共同探討行業(yè)發(fā)展機(jī)遇！即刻咨詢預(yù)訂展位，可享早鳥(niǎo)優(yōu)惠！

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