全球芯片關(guān)鍵技術(shù)研究最新進展

在全球新一輪科技革命中，芯片產(chǎn)業(yè)不僅關(guān)乎著國家信息安全和科技地位，也是衡量一個國家現(xiàn)代化進程和綜合國力的指標之一，并被業(yè)界稱為全球最具戰(zhàn)略性價值的產(chǎn)品。

供需市場瞬息萬變，面對全球半導體芯片產(chǎn)業(yè)鏈分工模式的大變局，具備自主可控的產(chǎn)業(yè)鏈和供應鏈體系是全球各地區(qū)永不松懈的動力和目標，因此，突破芯片產(chǎn)業(yè)“卡脖子”技術(shù)瓶頸成為其破局必經(jīng)之道。

觀察各方研發(fā)動態(tài)，據(jù)全球半導體觀察不完全統(tǒng)計，今年來共有超30項關(guān)鍵技術(shù)取得重要進展，涉足類腦芯片、光子芯片、人工智能芯片、第三/四代半導體（碳化硅/氮化鎵/氧化鉀/金剛石等），以及光刻膠材料、存儲器、晶體管器件等方面。

Part.1破局第一篇：前沿芯片出世

世界首款類腦互補視覺芯片“天眸芯”

清華大學類腦計算研究中心團隊研制出世界首款類腦互補視覺芯片“天眸芯”，在極低的帶寬（降低90%）和功耗的代價下，實現(xiàn)了每秒10000幀的高速、10bit的高精度、130dB的高動態(tài)范圍的視覺信息采集，該芯片突破了傳統(tǒng)視覺感知范式的性能瓶頸，能夠高效應對各種極端場景。

據(jù)悉，該研究團隊基于“天眸芯”自主研發(fā)了高性能軟件和算法，并在開放環(huán)境車載平臺上進行了性能驗證。在多種極端場景下，該系統(tǒng)實現(xiàn)了低延遲、高性能的實時感知推理，展現(xiàn)了其在智能無人系統(tǒng)領(lǐng)域的巨大應用潛力。為自動駕駛、具身智能等重要應用提供強勁的技術(shù)支持。

完全可編程拓撲光子芯片

北京大學王劍威研究員、胡小永教授、龔旗煌教授課題組與中國科學院微電子研究所楊妍研究員等成功研制出一種完全可編程的拓撲光子芯片。這款芯片基于可重構(gòu)的集成光學微環(huán)陣列，在僅11mm×7mm的面積內(nèi)集成了2712個元件，首次成功實現(xiàn)了完全可編程的光學人造原子晶格。同時研究人員在單一芯片平臺上實現(xiàn)了包括動態(tài)拓撲相變、多晶格拓撲絕緣體、統(tǒng)計相關(guān)拓撲魯棒性以及安德森拓撲絕緣體等多種拓撲現(xiàn)象的實驗驗證。

研究團隊表示，多功能且快速可編程的拓撲光子芯片，充分展現(xiàn)了大規(guī)模集成光學技術(shù)與前沿拓撲材料物理研究的結(jié)合，為先進光子芯片在前沿領(lǐng)域的應用提供了新范式。

新型“光學硅”芯片

中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員歐欣團隊成功開發(fā)出可批量制造的新型“光學硅”芯片。歐欣團隊采用基于“萬能離子刀”的異質(zhì)集成技術(shù)，通過氫離子注入結(jié)合晶圓鍵合的方法，制備了高質(zhì)量硅基鉭酸鋰單晶薄膜異質(zhì)晶圓。進一步，合作團隊開發(fā)了超低損耗鉭酸鋰光子器件微納加工方法，使對應器件的光學損耗降低至5.6 dB m-1，這低于其他團隊報道的晶圓級鈮酸鋰波導的最低損耗值。

鋰光子芯片展現(xiàn)出與鈮酸鋰薄膜相當?shù)碾姽庹{(diào)制效率；同時，基于鉭酸鋰光子芯片，該研究首次在X切型電光平臺中產(chǎn)生了孤子光學頻率梳，結(jié)合電光可調(diào)諧性質(zhì)，有望在激光雷達和精密測量等方面實現(xiàn)應用。當前，該研究已攻關(guān)8英寸晶圓制備技術(shù)，為更大規(guī)模的國產(chǎn)光電集成芯片和移動終端射頻濾波器芯片的發(fā)展奠定了材料基礎(chǔ)。

中國人工智能光芯片“太極”

清華大學電子工程系副教授方璐課題組、自動化系戴瓊海院士課題組首創(chuàng)分布式廣度光計算架構(gòu)，研制大規(guī)模干涉-衍射異構(gòu)集成芯片太極（Taichi），實現(xiàn)160 TOPS/W的通用智能計算。

電子系博士生徐智昊表示，在“太極”架構(gòu)中，自頂向下的編碼拆分—解碼重構(gòu)機制，將復雜智能任務化繁為簡，拆分為多通道高并行的子任務，構(gòu)建的分布式“大感受野”淺層光網(wǎng)絡(luò)對子任務分而治之，突破物理模擬器件多層深度級聯(lián)的固有計算誤差。

據(jù)介紹，太極光芯片的計算能效超現(xiàn)有智能芯片2—3個數(shù)量級，將可為百億像素大場景光速智能分析、百億參數(shù)大模型訓練推理、毫瓦級低功耗自主智能無人系統(tǒng)提供算力支撐。

首款2Tb/s，三維集成硅光芯粒成功出樣

目前，面向下一代單通道200G以上（200G per lane）的光接口速率需求，硅光方案在速率、功耗、集成度等方面面臨著巨大挑戰(zhàn)。國家信息光電子創(chuàng)新中心（NOEIC）和鵬城實驗室的光電融合聯(lián)合團隊完成了2Tb/s硅光互連芯粒（chiplet）的研制和功能驗證，在國內(nèi)首次驗證了3D硅基光電芯粒架構(gòu)，實現(xiàn)了單片最高達8×256Gb/s的單向互連帶寬。

該方案充分利用了硅光與CMOS封裝工藝兼容的特點，相比于傳統(tǒng)wirebond方案，3D芯粒能解決電芯片與光芯片間高密度、高帶寬電互連的困難，顯著降低射頻信號在光-電芯片互連過程中的嚴重衰減。

經(jīng)系統(tǒng)傳輸測試，8個通道在下一代光模塊標準的224Gb/s PAM4光信號速率下，TDECQ均在2dB以內(nèi)。通過進一步鏈路均衡，最高可支持速率達8×256Gb/s，單片單向互連帶寬高達2Tb/s。成果將廣泛應用于下一代算力系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心所需的CPO、NPO、LPO、LRO等各類光模塊產(chǎn)品中。

Part.2破局第二篇：半導體光刻膠/器件

新型半導體性光刻膠

復旦大學高分子科學系、聚合物分子工程國家重點實驗室魏大程團隊設(shè)計了一種新型半導體性光刻膠，利用光刻技術(shù)在全畫幅尺寸芯片上集成了2700萬個有機晶體管并實現(xiàn)了互連，在聚合物半導體芯片的集成度上實現(xiàn)新突破，集成度達到特大規(guī)模集成度水平。

據(jù)團隊介紹，芯片集成度可以分為小規(guī)模集成度(SSI)、中規(guī)模集成度(MSI)、大規(guī)模集成度(LSI)、超大規(guī)模集成度(VLSI)和特大規(guī)模集成度(ULSI)，單片集成器件數(shù)量分別大于2、26、211、216、221。

據(jù)介紹，該光刻膠可通過添加感應受體實現(xiàn)不同的傳感功能。為了實現(xiàn)高靈敏光電探測功能，團隊在光刻膠材料中負載了具有光伏效應的核殼結(jié)構(gòu)納米粒子。光照下，納米光伏粒子產(chǎn)生光生載流子，電子被內(nèi)核捕獲，產(chǎn)生原位光柵調(diào)控，大幅提升了器件的響應度。光刻制造的有機晶體管互連陣列包含4500×6000個像素，集成密度達到3.1×106單元每平方厘米，即在全畫幅尺寸芯片上集成了2700萬個器件,達到特大規(guī)模集成度(ULSI)，其光響應度達到6.8×106安培每瓦特，高密度陣列可以轉(zhuǎn)移到柔性襯底上，實現(xiàn)了仿生視網(wǎng)膜應用。

（a）光刻膠組成;(b)光刻膠聚集態(tài)結(jié)構(gòu);(c)在不同襯底上加工的有機晶體管陣列；（d）有機晶體管陣列結(jié)構(gòu)示意圖及光學顯微鏡照片；（e）有機光電晶體管成像芯片（PQD-nanocell OPT）與現(xiàn)有商用CMOS成像芯片以及其他方法制造有機成像芯片的像素密度對比。

團隊負責人魏大程表示，他們正在積極尋求產(chǎn)業(yè)界合作，希望能夠推動科研成果的應用轉(zhuǎn)化。未來，這種材料一方面能夠用于制造高集成度柔性芯片，另一方面由于其光刻兼容性，還有可能實現(xiàn)有機芯片與硅基芯片的功能集成，進一步拓展硅基芯片的應用。

新型光刻膠成膜樹脂

化學放大光刻膠是目前集成電路制造應用最廣泛的光刻材料。通過構(gòu)建光酸催化的酸解反應，光刻膠的靈敏度可以實現(xiàn)數(shù)量級的提升，彌補了光刻機光源功率下降引發(fā)的效率問題。

而碳酸酯和縮醛基團是傳統(tǒng)化學放大光刻膠中重要的酸敏結(jié)構(gòu)單元，但由于過低的酸解活化能，此類光刻膠在光刻過程中易發(fā)生自顯影現(xiàn)象，產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)極易污染光刻機鏡頭。同時，傳統(tǒng)化學放大光刻膠使用四甲基氫氧化銨溶液作為顯影液，易造成中毒及環(huán)境問題。此外，這類光刻膠體系在放置過程中還極易產(chǎn)生暗反應，影響儲存和光刻穩(wěn)定性。

針對上述挑戰(zhàn)和問題，浙江大學伍廣朋教授團隊利用自主開發(fā)的高活性有機硼催化劑，以二氧化碳和帶有酸敏環(huán)狀縮醛結(jié)構(gòu)的環(huán)氧化合物為原料，制備了兼具高透明性碳酸酯主鏈和高酸敏性縮醛側(cè)基的新型光刻膠成膜樹脂。

科研團隊通過將制備的光刻膠樹脂與商用的KrF和ArF光刻膠樹脂進行性能對比，結(jié)果表明，這類化學放大光刻膠表現(xiàn)出了優(yōu)異的靈敏度、對比度、分辨率和抗刻蝕性等綜合性能。同時，此類光刻膠體系在室溫環(huán)境下可穩(wěn)定儲存60天以上，為開發(fā)高性能的深紫外和極紫外光刻膠提供了一種新思路。

陣列碳納米管晶體管

北京大學電子學院、碳基電子學研究中心張志勇教授課題組在碳納米管晶體管柵界面研究方向取得重要進展：基于優(yōu)化柵工藝的碳基MOS器件首次實現(xiàn)了低至6.1×1011cm-2eV-1的界面態(tài)密度，可與硅基high-k柵界面比擬；通過器件仿真發(fā)現(xiàn)，理想的碳基MOS器件可以滿足國際半導體器件與系統(tǒng)路線圖（IRDS）所設(shè)定的柵控和性能目標。

高性能和高能效的陣列碳納米管晶體管，其開態(tài)電流和峰值跨導高達2.34 mA/μm和2.42 mS/μm，且能在0.7 V的工作電壓下保持高達5個量級的電流開關(guān)比，其柵控效率和開關(guān)態(tài)綜合性能均超過已報道的陣列碳納米管器件和硅基同尺寸器件。進一步優(yōu)化柵工藝、降低界面態(tài)密度對實現(xiàn)高性能、高能效和高可靠性的碳納米管晶體管和集成電路至關(guān)重要。

亞納米級晶體管

韓國基礎(chǔ)科學研究院 (IBS)成功研制出亞納米級晶體管，IBS的JO Moon-Ho 所長對該技術(shù)的前景表示樂觀，認為 1D MTB 晶體管有望成為未來研發(fā)各種低功耗高性能電子設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)。

業(yè)界信息顯示，半導體器件的集成度取決于柵極電極的寬度和長度。在傳統(tǒng)的半導體制造工藝中，由于光刻分辨率的限制，將柵極長度減少到幾納米以下是不可能的。而二維半導體二硫化鉬的鏡面孿晶邊界(MTB)的出現(xiàn)為這一問題提供了解決方案。

二維半導體二硫化鉬的MTB是一種寬度僅為0.4納米的一維金屬，研究人員將其用作柵極電極，突破了光刻工藝的限制。根據(jù)IEEE此前發(fā)布的國際集成電路設(shè)備和系統(tǒng)路線圖 (IRDS) 預測，到2037年，芯片制程工藝將達到 0.5 納米左右，晶體管柵極長度為 12 納米。而韓國研究人員研發(fā)的 1D MTB 晶體管柵極長度僅為 3.9 納米。

與傳統(tǒng)鰭式場效應晶體管 (FinFET) 或 GAA 技術(shù)相比，這種新型的 1D MTB 晶體管還具有固有的優(yōu)勢。研究人員表示，由于其簡單的結(jié)構(gòu)和極窄的柵極寬度，這種晶體管可以最大限度地減少寄生電容，從而帶來更高的穩(wěn)定性。

全新晶體制備方法

北京大學物理學院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所首創(chuàng)并自主命名為“晶格傳質(zhì)-界面生長”的一種全新晶體制備方法。

據(jù)介紹，在制備過程中，原子首先在金屬表面，即‘地基’上排布形成‘第一層晶體’；接著，新加入的原子通過埋在‘地基’下方的晶格，傳輸進入‘地基’與‘第一層晶體’之間的‘縫隙’，然后頂著上方已形成的晶體層進行生長，不斷形成新的晶體層。這和自然界中很多植物的生長方式類似，就像‘頂蘑菇’一樣。

這種“頂蘑菇”式的生長方式，可保證每層晶體結(jié)構(gòu)的快速生長和均一排布，有效避免缺陷的積累，極大提高了晶體結(jié)構(gòu)可控性。利用這種創(chuàng)新方法，團隊已經(jīng)制備出硫化鉬、硒化鉬及硫硒化鉬合金材料等一系列二維晶體。

北京大學物理學院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所所長劉開輝表示，未來，科研團隊將繼續(xù)深入研究，挖掘‘晶格傳質(zhì)-界面生長’范式的更多潛力，推動其在新材料制備、新應用領(lǐng)域的廣泛應用。

Part.3破局第三篇：第三代半導體

第三代半導體材料主要以SiC（碳化硅）、GaN（氮化鎵）為代表，還包括ZnO氧化鋅、GaO氧化鎵、金剛石等。與第一代/第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更大的電子飽和速度以及更高的抗輻射能力，更適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，是用于新能源汽車、5G基站、光伏儲能、數(shù)據(jù)中心等新興領(lǐng)域的理想材料。

相較于硅基器件，碳化硅材料制成的功率器件具備耐高壓，耐高溫，低能耗，小型化的特點，目前已被廣泛應用于電動/混動汽車、充電樁/充電站、高鐵軌交、光伏逆變器中；氮化鎵材料通過外延層結(jié)構(gòu)的不同，可以制成功率、射頻、光電器件?，F(xiàn)行氮化鎵功率組件，分為硅基氮化鎵及碳化硅基氮化鎵兩種晶圓，其中硅基氮化鎵在面積與整體成本考慮上，具有比碳化硅組件更劃算的可能，更適用于中低壓/高頻領(lǐng)域。

今年以來，第三代半導體市場正處于一個高速增長的階段，展望市場規(guī)模，據(jù)TrendForce集邦咨詢研究表示，盡管純電動汽車（BEV）銷量增速的明顯放緩已經(jīng)開始影響到SiC供應鏈，但作為未來電力電子技術(shù)的重要發(fā)展方向，SiC在汽車、可再生能源等功率密度和效率極其重要的應用市場中仍然呈現(xiàn)加速滲透之勢，未來幾年整體市場需求將維持增長態(tài)勢，預估至2028年，全球SiC功率器件市場規(guī)模有望上升至91.7億美元。

而GaN功率元件市場的發(fā)展主要由消費電子所驅(qū)動，核心仍在于快速充電器，其他消費電子場景還包括D類音頻、無線充電等，TrendForce集邦咨詢預計，全球GaN功率元件市場規(guī)模將從2022年的1.8億美金成長到2026年的13.3億美金，復合增長率高達65%。

技術(shù)突破方面，根據(jù)上述圖表，多項第三代半導體技術(shù)突破傳來新進展。

MiG超晶格結(jié)構(gòu)

YLC特聘助理教授王佳和名古屋大學先端研究所/未來材料與系統(tǒng)研究所Hiroshi Amano教授領(lǐng)導研究小組通過GaN和金屬鎂（Mg）之間的簡單熱反應形成了獨特的超晶格結(jié)構(gòu)（Mg插層GaN超晶格，簡稱MiG），可以提高P型GaN基器件的性能。

這是首次將二維金屬插入半導體材料中，研究小組將這種獨特的插入機制命名為“間隙插入”。該結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)以及2D-Mg摻雜機制的發(fā)現(xiàn)，為研究金屬-半導體超晶格的能帶結(jié)構(gòu)和導電性能提供了新的平臺，為半導體摻雜機制和材料科學的基礎(chǔ)研究提供了新的平臺。該成果已發(fā)表在英國科學雜志《自然》上。

6英寸藍寶石基增強型e-GaNHEMTs晶圓

西安電子科技大學廣州研究院第三代半導體創(chuàng)新中心郝躍院士、張進成教授課題組李祥東團隊、廣東致能科技公司聯(lián)合攻克了≥1200V超薄GaN緩沖層外延、p-GaN柵HEMTs設(shè)計與制造、可靠性加固、高硬度材料封測等整套量產(chǎn)技術(shù)，成功開發(fā)出閾值電壓超過2V、耐壓達3000V的6英寸藍寶石基增強型e-GaNHEMTs晶圓，展示了替代中高壓硅IGBT和SiC MOSFET的巨大潛力。

研發(fā)成果6英寸增強型e-GaN電力電子芯片以“p-GaN Gate HEMTs on 6-Inch Sapphire by CMOS-Compatible Process: A Promising Game Changer for Power Electronics”為題發(fā)表在高水平行業(yè)期刊IEEE Electron Device Letters上，并入選封面highlight論文。

8英寸藍寶石基GaNHEMTs晶圓

西安電子科技大學廣州研究院第三代半導體創(chuàng)新中心郝躍院士、張進成教授課題組李祥東團隊該研究在國際上首次證明了8英寸藍寶石基GaNHEMTs晶圓量產(chǎn)的可行性，并打破了傳統(tǒng)GaN技術(shù)難以同時兼顧大尺寸、高耐壓、低成本的國際難題，將有望推動≥1200 V中高壓氮化鎵電力電子技術(shù)實現(xiàn)變革。

研發(fā)成果8英寸GaN電力電子芯片以"Report of GaN HEMTs on 8-in Sapphire"為題發(fā)表在高水平行業(yè)期刊IEEE Transactions on Electron Devices上，并被國際著名半導體行業(yè)雜志Semiconductor Today專題報道。

新型ECMP技術(shù)

目前在拋光工藝上，成本、環(huán)保等方面仍是制約碳化硅襯底廣泛應用的瓶頸。傳統(tǒng)CMP（化學機械拋光）需要使用大量的拋光液材料，拋光液成本占拋光環(huán)節(jié)成本比例較大，這不僅增加了生產(chǎn)成本，也對環(huán)境造成了負擔。

日本立命館大學（Ritsumeikan University）開發(fā)了一種新型ECMP（電化學機械拋光）技術(shù)，實現(xiàn)了約15μm/h的材料去除率，使得SiC拋光得到大幅度提升。據(jù)了解，在拋光過程中，碳化硅襯底作為陽極，與拋光板（陰極）之間夾著SPE/CeO2復合材料襯墊。當施加偏置電壓時，碳化硅表面與SPE發(fā)生電解反應，形成一層易于去除的氧化膜，這層氧化膜隨后被襯墊中的CeO2顆粒去除。

實驗驗證表明，ECMP技術(shù)提高了碳化硅襯底的拋光效率，通過精確控制電解和機械條件，實現(xiàn)了表面粗糙度的顯著降低和表面質(zhì)量的大幅提升，為碳化硅襯底的綠色制造提供了強有力的技術(shù)支持。

硼元素如何作用SiC氧化后退火工序

東京大學、三菱電機研究團隊采用硼元素對SiC MOSFET進行氧化后退火，溝道遷移率（μFE）有望超過100 cm2 / V·s，而采用一氧化碳退火方式只有20-40 cm2/V·s，大約可以提升2.5-5倍。通過改變硼濃度，SiC MOSFET的Dit（界面態(tài)密度）還有望降低約70%。

經(jīng)過研究人員測量發(fā)現(xiàn)，在不同硼濃度及不同溫度條件下，對碳化硅器件的影響：通過改變硼擴散溫度（900至1150°C），成功調(diào)控了BDL（硼擴散層）中硼的濃度；通過改變硼濃度，BDL900樣品的Dit（界面態(tài)密度）比NO1150樣品低，尤其在導帶邊緣附近，Dit降低了約70%，顯示高硼濃度對淺能級Dit的鈍化效果顯著。

100mm超厚碳化硅單晶

浙江大學杭州國際科創(chuàng)中心先進半導體研究院-乾晶半導體聯(lián)合實驗室首次生長出厚度達100mm的超厚碳化硅單晶。聯(lián)合實驗室采用提拉式物理氣相傳輸法成功生長出直徑為6英寸（即150mm）的碳化硅單晶，其厚度突破了100mm。測試加工而得的襯底片的結(jié)果顯示，該超厚碳化硅單晶具有單一的4H晶型（圖a）、結(jié)晶質(zhì)量良好（圖b），電阻率平均值不超過～ 30 mΩ·cm。

氮化鎵量子光源芯片

當前，業(yè)界認為，量子光學領(lǐng)域進一步發(fā)展的主要挑戰(zhàn)之一，在于如何將較大的桌面尺寸設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)楦有⌒突奈⑿酒叽?。而實現(xiàn)設(shè)備尺寸縮小的關(guān)鍵是能夠在半導體芯片上開發(fā)和集成量子光源，這是實現(xiàn)在一塊芯片上集成完整光量子電路的核心。

電子科技大學基礎(chǔ)與前沿研究院周強教授課題組、清華大學電子工程系孫長征教授課題組聯(lián)合中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所等機構(gòu)，通過迭代電子束曝光和干法刻蝕工藝，攻克高質(zhì)量氮化鎵晶體薄膜生長、波導側(cè)壁與表面散射損耗等技術(shù)難題，在國際上首次將氮化鎵材料運用于量子光源芯片。

與氮化硅等材料相比，氮化鎵量子光源芯片在輸出波長范圍等關(guān)鍵指標上取得突破，輸出波長范圍從25.6納米增加到100納米，并可朝著單片集成發(fā)展。電子科技大學基礎(chǔ)與前沿研究院教授、天府絳溪實驗室量子互聯(lián)網(wǎng)前沿研究中心主任周強表示，通過為量子互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)提供更多波長資源，可以滿足更多用戶采用不同波長接入量子互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的需求。

新的溝槽外延方法

近日，英國華威大學工程學院一項突破性研究提供了一種新的溝槽外延方法，該研究團隊使用過飽和氯化化學方法在1550℃的較低生長溫度下，實現(xiàn)了5 微米、寬度為2/4 微米的4H-SiC外延溝槽填充，同時通過將生長溫度降低抑制了意外的 H2 退火以及隨后的溝槽結(jié)構(gòu)圓化，更好地保持了溝槽的完整性。

該研究表明，選擇正確的HCl 流速，以從 4H-SiC 晶體生長改善和熔融外延層表面形貌減小中獲益，同時保持溝槽中足夠的生長速率，這對于 SJ 結(jié)構(gòu)的形成至關(guān)重要。了解 4H-SiC 溝槽通過外延填充的機制對于開發(fā)可重復的 SJ 器件結(jié)構(gòu)制造工藝至關(guān)重要，這可以克服當前基于 4H-SiC 的功率器件的限制。

Part.4破局第四篇：第四代半導體

第四代半導體是指氧化鎵（Ga2O3）、金剛石（C）、氮化鋁（AlN）等超寬禁帶半導體材料，以及銻化鎵（GaSb）、銻化銦（InSb）等超窄禁帶半導體材料。其中氮化鋁（AlN）和金剛石仍面臨大量科學問題亟待解決，而針對氧化鎵，業(yè)界指出，氧化鎵是繼第三代半導體碳化硅和氮化鎵之后，最具市場潛力的材料。

氧化鎵方面，根據(jù)資料，特性上，氧化鎵器件的導通特性幾乎是于碳化硅的10倍，理論擊穿場強是碳化硅的3倍多，并且化學和熱穩(wěn)定性較為良好，并能以比碳化硅和氮化鎵更低的成本獲得大尺寸、高質(zhì)量、可摻雜的塊狀單晶。

分類上，氧化鎵共計5種同分異構(gòu)體，分別為α、β、γ、ε和δ。其中β-Ga2O3（β相氧化鎵）最為穩(wěn)定，當加熱至1000℃或水熱條件（即濕法）加熱至300℃以上時，其他所有亞穩(wěn)相的異構(gòu)體都會被轉(zhuǎn)換為β相異構(gòu)體。而用于氧化鎵的外延薄膜沉積技術(shù)包括分子束外延技術(shù)（MBE）、分子有機氣相沉積（MOCVD）、噴霧化學氣相沉積（mist-CVD)、鹵化物氣相外延沉積技術(shù)（HVPE）。

根據(jù)上述圖表，關(guān)于第四代半導體氧化鎵（β-Ga2O3）外延生長技術(shù)問題，近期，廈門大學電子科學與技術(shù)學院楊偉鋒教授團隊在第四代半導體氧化鎵（β-Ga2O3）外延生長技術(shù)和日盲光電探測器制備方面取得重要進展。

在β-Ga2O3薄膜生長方面，研究團隊利用分子束外延技術(shù)（MBE）實現(xiàn)了高質(zhì)量、低缺陷密度的外延薄膜生長，并通過改變反應物前驅(qū)體和精密控制生長參數(shù)，成功實現(xiàn)了β-Ga2O3外延薄膜的均勻生長和優(yōu)良的晶體質(zhì)量，有力地推動了β-Ga2O3薄膜的高質(zhì)量異質(zhì)外延的發(fā)展。同時，研究團隊還通過對MBE外延生長過程中的β-Ga2O3薄膜生長機制進行詳細探究，揭示了其成核、生長的差異性，并建立了相對應的外延生長機理模型圖。據(jù)悉，β-Ga2O3材料因其本征日盲光吸收(254 nm)，簡單二元組成，帶隙可調(diào)，制備工藝簡單等優(yōu)勢在日盲光電探測器領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。

另外，該研究團隊在MBE異質(zhì)外延β-Ga2O3生長機制的基礎(chǔ)上，結(jié)合半導體光電響應原理，探究了異質(zhì)外延β-Ga2O3薄膜日盲光電探測器的性能指標。研究團隊利用臭氧作為前驅(qū)體所制備的金屬-半導體-金屬結(jié)構(gòu)日盲光電探測器表現(xiàn)出7.5 pA的暗電流、1.31×107的光暗電流比、1.31×1015 Jones的比檢測率和 53 A/W的光響應度，表現(xiàn)出相當優(yōu)異的對日盲紫外光的探測性能。

金剛石方面，廈門大學電子科學與技術(shù)學院于大全、鐘毅老師團隊與華為、廈門云天團隊合作開發(fā)了基于反應性納米金屬層的金剛石低溫鍵合技術(shù)，克服微凸點保護、晶圓翹曲等行業(yè)難題，成功將多晶金剛石襯底集成到2.5D玻璃轉(zhuǎn)接板（Interposer）封裝芯片的背面，并采用熱測試芯片（TTV）研究其散熱特性。

利用金剛石的超高熱導率，在芯片熱點功率密度為~2 W/mm2時，集成金剛石散熱襯底使得芯片最高結(jié)溫降低高達24.1 ℃，芯片封裝熱阻降低28.5%。先進封裝芯片-金剛石具有極為優(yōu)越的散熱性能，基于金剛石襯底的先進封裝集成芯片散熱具有重大的應用前景。

這項研究將金剛石低溫鍵合與玻璃轉(zhuǎn)接板技術(shù)相結(jié)合，首次實現(xiàn)了將多晶金剛石襯底集成到玻璃轉(zhuǎn)接板封裝芯片的背面。該技術(shù)路線符合電子設(shè)備尺寸小型化、重量輕量化的發(fā)展趨勢，同時與現(xiàn)有散熱方案有效兼容，成為當前實現(xiàn)芯片高效散熱的重要突破路徑，并推動了金剛石散熱襯底在先進封裝芯片集成的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

Part.5破局第五篇：存儲器

耐600℃高溫存儲器

美國賓夕法尼亞大學科學家研制出一款可在600℃高溫下持續(xù)工作60小時的存儲器。該耐受溫度是目前商用存儲設(shè)備的兩倍多，表明該存儲器具有極強的可靠性和穩(wěn)定性。

該存儲設(shè)備由金屬—絕緣體—金屬結(jié)構(gòu)組成，包括鎳和鉑電極以及一層45納米厚的AlScN。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計使該存儲器能與高溫碳化硅邏輯器件兼容，與專為極端溫度設(shè)計的高性能計算系統(tǒng)協(xié)同工作。

研究人員表示，這款存儲器是一種非易失性設(shè)備，能在無電源狀態(tài)下長期保留存儲其上的信息。相較之下，傳統(tǒng)硅基閃存在溫度超過200℃時便開始失效，導致設(shè)備故障和信息丟失。

研究人員指出，新存儲器是一種“內(nèi)存增強型計算”設(shè)備，很穩(wěn)定，能使內(nèi)存和處理元件更緊密地集成在一起，提高計算的速度、復雜性和效率。他們將繼續(xù)探索將新設(shè)備用于極端環(huán)境下運行的AI系統(tǒng)。

鐵電存儲器可靠性研究進展

基于HfxZr1-xO2材料的鐵電存儲器（FeRAM）具備高速、良好的可微縮性和CMOS工藝兼容性的特點，業(yè)界指出，當前鐵電存儲器件的可靠性是影響其大規(guī)模應用的關(guān)鍵問題之一。在程序代碼存儲以及人工智能網(wǎng)絡(luò)（AI）推理等以讀操作為主的應用中，鐵電電容既不會像在傳統(tǒng)耐久性測試中一樣被頻繁擦寫，也不會像在傳統(tǒng)保持性測試中一樣長時間維持在同一極化狀態(tài)。因此，器件在這些應用場景下的可靠性失效規(guī)律及背后的物理機制值得深入的研究。

針對上述問題，復旦大學芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院的劉明院士團隊首先提出了一種包含不同脈沖占空比的耐久性（duty cycling）測試方法。研究發(fā)現(xiàn)，在電學測試過程中，隨著占空比的減小，極化強度（Psw）損失和翻轉(zhuǎn)電壓（Vc）偏移程度加劇，最終使得器件更快失效（圖1a）。

研究人員在此基礎(chǔ)上建立了包含氧空位缺陷動力學和Preisach極化翻轉(zhuǎn)機制的鐵電器件三維物理模型，揭示了duty cycling背后由電場及濃度驅(qū)動下氧空位重新分布主導的失效機制（圖1b）。

最后，該團隊針對性地提出了利用超晶格結(jié)構(gòu)以及Hf:Zr比例調(diào)控，抑制電學刺激下的氧缺陷生成，成功緩解了上述失效行為，并實現(xiàn)了在128Kb鉿基FeRAM芯片上的驗證，推動了鉿基鐵電存儲技術(shù)的更廣泛應用。