第三代半导体来了，芯片行业会“变天”吗？

氮化镓互补型逻辑电路拥有一系列“类CMOS”的优点。图片来源：unsplash

5纳米、2纳米、1纳米……

作为当前芯片制造行业的主流技术，硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）技术已“接近物理极限”。这也意味着，“弯道超车”的机会越来越渺茫，“多道赛车”成为业内的选择。

最近，香港科技大学和南方科技大学研究人员分别在《自然—电子学》等期刊发表论文，报道了“氮化镓基互补逻辑集成电路”和“氮化镓高压多沟道器件技术”领域取得的突破，这或成为第三代半导体赛道上的一抹曙光。

适时的工作：氮化镓基互补逻辑集成电路

硅基互补金属氧化物半导体可以获得极高的能源效率，与此同时，硅材料较窄的带隙也限制了硅基集成电路的使用场景。

而宽禁带半导体，如氮化镓等在电力电子、射频电子、显示照明和严酷环境中的出色表现，让人们对其应用前景充满期待。由于缺乏在单个衬底上集成n沟道和p沟道场效应晶体管的合适策略，氮化镓基CMOS逻辑电路的开发进程缓慢。

“我们首次展示了一个完整的基本逻辑门集合，以及多级逻辑门集成更复杂逻辑电路的能力。”香港科技大学教授陈敬说，“这种氮化镓互补型逻辑电路拥有一系列‘类CMOS’的优点。这些电路可以工作在兆赫兹频率，并且拥有出色的热稳定性，一定程度上体现了宽禁带半导体的优势。”

在该研究中，陈敬团队制备了完备的基本逻辑门集合——包括非、与非、或非和传输门。其中，以反相器为代表的逻辑门展现出100%轨到轨输出能力、显著抑制的静态功耗、良好的热稳定性和充分的噪声容限，单项指标与综合性能均为已报道的同类反相器中之最佳。

“这是个很漂亮而且很适时的工作。”瑞士洛桑联邦理工学院微纳技术中心博士刘骏秋在接受《中国科学报》采访时表示。

除了完备的单级基本逻辑门，陈敬团队进一步展示了由多级互补型逻辑门组成的拥有较高复杂度的集成电路。多级集成能力的证明，对将氮化镓基CMOS技术推向实用具有重要意义。

南方科技大学电子与电气工程系助理教授马俊认为，该技术首先可用于开发高能效的新一代电能转换芯片——氮化镓电力电子集成电路，对降低电能损耗和减少碳排放具有非常重要的意义；其次能扩展氮化镓的应用方向，例如用于开发航空航天等需要耐受严酷环境（高温、辐射等条件下）的新型特种计算控制芯片。

“该论文是氮化镓集成电路方向的重要里程碑，对氮化镓基芯片的发展具有重要意义。”马俊告诉《中国科学报》。

基础器件突破：氮化镓高压多沟道电力电子器件

作为第一代半导体材料，锗和硅已在各类电子器件和集成电路上广泛应用。以砷化镓和磷化铟为代表的三五族化合物半导体材料被认为是第二代半导体，它的某些性能优点弥补了硅晶体的缺点，从而生产出符合更高要求的产品。

第三代半导体是以氮化镓、碳化硅、氧化锌、金刚石、氮化铝为代表的宽禁带半导体材料。

在应用方面，第三代半导体在照明、电力电子器件、激光器和探测器等领域的产业成熟度各不相同，在一些前沿研究领域，宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。

“第三代半导体材料领域的发展日新月异。”刘骏秋说，“比如氮化镓、碳化硅、铝镓砷等，主要用来制备电芯片。而光芯片领域，目前最成熟的材料硅、磷化铟已经以商业化为主。碳化硅目前已经开始从实验室走向成熟产业和商业化，而铌酸锂材料目前中国的研究也很前沿，很多大学都有相关的研究。值得一提的是，国际与国内很多领先的研究组已经开始研究利用第三代半导体材料实现光电集成。”

在发表于国际电子器件大会（IEDM）和《自然—电子学》的文章中，马俊团队和瑞士洛桑联邦理工大学、苏州晶湛半导体有限公司合作，通过原创性的高压多沟道电力电子器件技术，开辟了氮化镓电力电子器件研究的新领域，“有可能改变第三代半导体电力电子器件技术发展的趋势”。

“现有氮化镓电力电子器件的主流方案是硅基氮化镓器件，其品质因子受击穿电压和导通电阻的基础性限制，远未达到氮化镓材料的理论极限，近10年来进步甚微。”马俊说。

为解决这一问题，马俊等人用高压多沟道器件技术，在获得1200V高击穿电压的同时将器件的导通电阻降低为原来的1/5，将硅上氮化镓电力电子器件品质因子的国际纪录提升了4倍。

此后，马俊又以共同第一作者，将该技术的后续工作——1300V的常关型多沟道硅基氮化镓高迁移率晶体管研究成果发表于《自然—电子学》。

“这项工作是氮化镓电力电子器件领域的重大进步。”氮化镓电子器件领域专家、英国布里斯托大学教授Martin Kuball在《自然—电子学》撰写专文评论说，“该技术使氮化镓器件的性能大幅接近其理论极限，且显著地超过了现有的碳化硅器件。”

《自然—电子学》在其编辑部报道中提到，“我们重点推荐的第三篇文章是学术界和工业界的合作成果，即马俊、Elison Matioli和他们同事汇报的多沟道器件技术”，展示了该技术巨大的价值和潜力。

基础+集成：改变行业版图

“氮化镓电子器件及集成电路家族因氮化镓基CMOS的加入而更加完整，实现氮化镓基计算控制芯片已经成为可能，氮化镓电子技术的应用领域会进一步扩展。”陈敬说，“以高电子迁移率晶体管（HEMT）为代表的n沟道氮化镓器件已历逾25年的研发，近年来已开启了快速商业化的进程。”

“氮化镓基芯片未来的发展将有很大可能呈现‘基础化+集成化’的趋势。”马俊说。

马俊解释说，基础化是因为现有氮化镓电子器件的性能远未达到氮化镓材料的理论极限。因此，氮化镓基芯片的未来发展将首先聚焦于新型基础性器件技术的开发，寻求基础元器件性能的突破性进展，达到全面利用氮化镓材料性能优势的目的。

例如，在氮化镓材料擅长的射频和电力电子领域，新型的多沟道结构和纳米结构等技术正在推动氮化镓射频电子器件和电力电子器件性能的成倍提高，远远超出传统的硅器件和现有的氮化镓器件。同时，高性能的p沟道晶体管对氮化镓互补性逻辑电路的进一步发展也至关重要。

“这些基础器件性能的突破，将为氮化镓芯片的未来发展提供更广阔的可能。”马俊说，“集成是半导体发展的重要目标，氮化镓基芯片的未来发展也将沿着集成化的方向发展。”

马俊认为，集成化主要体现在两个方面。

一是氮化镓器件家族将不断扩大，包括氮化镓互补型逻辑门技术和肖特基二极管等关键基础单元，将向着实用化方向不断完善，最终形成完整的氮化镓射频电子和电力电子集成电路解决方案；二是氮化镓与传统硅基材料和芯片的集成技术也将不断发展。根据不同的应用，通过异质集成、片上集成、封装集成等多种方法，选择并集成最适配的硅基和氮化镓基芯片，形成最佳性能与最优成本的集成电路解决方案。

我们期待，芯片制造业的版图将因第三代半导体驶入赛道而改变。

相关论文信息：

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

作者 ｜ 张双虎