芯片版圖 “因誰而變”?中國科學(xué)報 2021-09-14 作者:張雙虎 |
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”的機會越來越渺茫,也許“多道賽車”是個不錯的選擇。
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)》等雜志發(fā)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(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。
漂亮且適時的工作:氮化鎵基互補邏輯集成電路
硅基互補金屬氧化物半導(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(GaN)等在電力電子、射頻電子、顯示照明和嚴酷環(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,GaN基CMOS邏輯電路的開發(fā)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(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)定性和充分高的噪聲容限,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。”瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院微納技術(shù)中心博士劉駿秋對《中國科學(xué)報》說。
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(fù)雜度的集成電路。多級集成能力的證明,對將GaN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為,該技術(shù)一是可用于開發(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。二是能擴展氮化鎵的應(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)展具有非常重要的意義?!瘪R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)體材料被認為是第二代半導(dǎo)體,它的某些性能優(yōu)點彌補了硅晶體的缺點,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。氮化硅目前已經(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,遠未達到氮化鎵材料的理論極限,近10年來進步甚微?!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)域的重大進步?!钡夒娮悠骷I(lǐng)域著名專家,IEEE Fellow、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?!?/p>
《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GaN 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)域會進一步擴展?!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)化的進程?!?/p>
“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。”馬俊說。
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(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展,達到全面利用氮化鎵材料性能優(yōu)勢之目的。
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,遠遠超出傳統(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性邏輯電路的進一步發(fā)展亦是至關(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?!?/p>
馬俊認為,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大,包括氮化鎵互補型邏輯門技術(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)不用的應(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,會因第三代半導(dǎo)體的駛?cè)胭惖蓝淖儭?/p>
相關(guān)論文信息:
https://doi.org/10.1038/s41928-021-00611-y
https://doi.org/10.1038/s41928-021-00550-8
https://doi.org/10.1109/IEDM19573.2019.8993536
責(zé)任編輯:王超
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