半导体材料的发展历程和应用领域

　　半导体材料经历几代的发展:

　　第一代半导体是“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体。其中以硅基半导体技术较成熟，应用也较广，一般用硅基半导体来代替元素半导体的名称。硅基半导体器件的频率只能做到10GHz，硅基半导体集成电路芯片最小设计线宽己经达到0.13μm，到2015年，最小线宽将达到0.07μm。

　　第二代半导体材料是化合物半导体。化合物半导体是以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)和氮化镓(GaN)等为代表，包括许多其它III-V族化合物半导体。这些化合物中，商业半导体器件中用得最多的是砷化镓(GaAs)和磷砷化镓(GaAsP)，磷化铟(InP)，砷铝化镓(GaAlAs)和磷镓化铟(InGaP)。其中以砷化镓技术较成熟，应用也较广。

　　化合物半导体不同於硅半导体的性质主要有二: 一是化合物半导体的电子迁移率较硅半导体快许多，因此适用于高频传输，在无线电通讯如手机、基地台、无线区域网络、卫星通讯、卫星定位等皆有应用;二是化合物半导体具有直接带隙，这是和硅半导体所不同的，因此化合物半导体可适用发光领域，如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、光接收器(PIN)及太阳能电池等产品。可用于制造超高速集成电路、微波器件、激光器、光电以及抗辐射、耐高温等器件，对国防、航天和高技术研究具有重要意义。

　　目前化合物半导体器件工作频率已经达到100GHz，线宽达到亚微米，并带动了异质结技术的发展，使之成为微波/毫米波的主流。通过进一步的努力，化合物半导体器件的工作频率将可以得到进一步提高。

　　通过反应炉的应用和高度的自动化，实现了外延工艺的改进，从而提高了化合物半导体的产量和经济效益。

　　化合物半导体产业在当前主要是指砷化镓(族)外延磊晶片生长和IC芯片集成，氮化镓(族)半导体照明LED和砷化镓(族)光储存LD外延磊晶片生长、芯片制作以及封装、模块的生产运营，同时还包括与之相关的广泛的应用产业。

　　磊晶、芯片是化合物半导体产品的上游产业，主要是采用 MBE和MOCVD 技术生长的化合物半导体外延片，和经过制作而成的芯片。

　　器件是化合物半导体产品的中游产业，典型产品包括激光二极管、半导体发光二极管、探测器件、微波器件、开关元件、功率器件等等，器件封装和组装是关键技术。

　　应用模块与整机是化合物半导体产品的下游产业，典型产品包括光收发模块、微波通信产品、半导体照明产品、光存储产品、光显示产品等等。

　　当前化合物半导体产业的发展主要体现在六个方面：

　　第一、半导体照明技术的迅猛发展。

　　基于半导体发光二极管 (LED) 的半导体光源具有体积小、发热量低、耗电量小、寿命长、反应速度快、环保、耐冲击不易破、废弃物可回收，没有污染，可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点，具有重大的经济技术价值和市场前景。特别是基于 LED 的半导体照明产品具有高效节能、绿色环保优点，在全球能源资源相当有限和保护环境可持续发展的双重背景下，将在世界范围内引发一场划时代的照明革命，成为继白炽灯，荧光灯之后的新一代电光源，进入到千家万户。目前LED已广泛用于大屏幕显示、交通信号灯、手机背光源等，开始应用于城市夜景美化亮化、景观灯、地灯、手电筒、指示牌等，随着单个LED亮度和发光效率的提高，即将进入普通室内照明、台灯、笔记本电脑背光源、LCD显示器背光源等，因而具有广阔的应用前景和巨大的商机。 2001年，白光二极管的使用量有2亿个，2002年有6亿个的使用量，2003年急速扩大到12亿个，从2004年开始，还会有更为可观的市场规模突破。第二、消费类光电子，光存贮、数字电视以及全球家用电子产品装备无线控制和数据连接的比例越来越高，音视频装置日益无线化。

　　消费类光电子，光存贮、数字电视以及全球家用电子产品装备无线控制和数据连接的比例越来越高，音视频装置日益无线化。再加上笔记本电脑的普及，这类产品的市场为化合物半导体产品的应用带来了庞大的新市场。

　　第三、汽车光电子市场，目前汽车防撞雷达己在很多高档车上得到了实用，将来肯定会越来越普及。

　　汽车光电子市场，目前汽车防撞雷达己在很多高档车上得到了实用，将来肯定会越来越普及。由于汽车防撞雷达一般工作在毫米波段，所以肯定离不开砷化镓甚至磷化铟，它的中频部分才会用到锗硅，由于全球汽车工业十分庞大，所以这是一个早晚必定会发生的巨大市场。

　　第四、新一代光纤通信技术。

　　新一代的40Gbps光通信设备不久肯定会开始装备，4OGbps的光通信设备会代替 25Gbps设备投入大量使用。而这些设备中将大量使用磷化铟、砷化镓、锗硅等化合物半导体集成电路。

　　第五、移动通信技术正在不断朝有利于化合物半导体产品的方向发展。

　　移动通信技术正在不断朝有利于化合物半导体产品的方向发展。目前二代半 (25G) 技术成为移动通信技术的主流，同时正在逐渐向第三代 (3G) 过渡。由于二代半技术对功放的效率和散热有更高的要求，所以这对砷化镓器件有利。3G 技术要求更高的工作频率，更宽的带宽和高线性，这也是对砷化镓和锗硅技术有利的。目前第四代(4G)的概念己明确提出来了。4G技术对手机有更高要求。它要求手机在楼内可接入无线局域网(WLAN)，即可工作到2.4GHz和5.8GHz，在室外可在二代、二代半、三代等任意制式下工作。因此这是一种多功能、多频段、多模式的移动终端。从系统小巧来说，当然会希望实现单芯片集成 (SOC)，但单一的硅技术无法在那么多功能和模式上都达到性能最优。要把各种优化性能的功能集成在一起， 只能用系统级封装 (SIP)，即在同一封装中用硅、锗硅、砷化镓等不同工艺来优化实现不同功能，这就为砷化镓的不断发挥优势带来了新的发展前景。

　　第六、军用光电子

　　下图是化合物半导体器件在手机上的应用示意图:

　　尽管有这么多的优点，砷化镓也不会取代硅成为主流的半导体材料。其原因在于性能和制造难度之间的权衡。虽然砷化镓电路非常快，但是大多数的电子产品不需要那么快的速度。在性能方面，砷化镓如同锗一样没有天然的氧化物。为了补偿，必须在砷化镓上淀积多层绝缘体。这样就会导致更长的工艺时间和更低的产量。而且在砷化镓中半数的原子是砷，对人类是很危险的。不幸的是，在正常的工艺温度下砷会蒸发，这就额外需要抑制层或者加压的工艺反应室。这些步骤延长了工艺时间，增加了成本。在晶体生长阶段蒸发也会发生，导致晶体和晶圆不平整。这种不均匀性造成晶圆在工艺中容易折断，而且也导致了大直径的砷化镓生产比硅落后。

　　尽管有这些问题，砷化镓仍是一种重要的半导体材料，其应用也将继续增多，而且在未来对计算机的性能可能有很大影响。

　　众所周知，半导体技术是数字和信息时代的基础技术。在半导体行业，如果想要开展技术革新，可能的研究方向又有哪些?美国半导体行业协会(SIA)日前发布了一份名为《半导体研究机会：一份产业前景和指导》的报告，对以上问题作出回答。

　　SIA指出，通过这些研究方向的前瞻将反过来开启多种应用和技术的大门，从而促进和支持众多经济部门。在推进现有技术继续升级的同时，对现存技术以外的一系列领域的开拓和关键性研究也至关重要。

　　而在过去几十年，通过高水平的研究和开发投入，半导体行业的创新速度得到了显著提升。2016年，全球半导体行业的研发投入占总收入的15.5%，总计565亿美元，高于世界上任何行业。制造更快、更好、更廉价芯片，且要求它们具有较低的计算功耗和优秀的功能，这些需求的一个关键的驱动力是：IC上可容纳的晶体管数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，这就是已经活跃了几十年的摩尔定律。

　　但这种传统的硅基半导体技术正在成熟，以摩尔定律为驱动的路线图似乎触到了天花板，业界迫切需要一种新的超越硅基的路线图。冯·诺依曼计算领域提出了更多性能要求，如低功耗、低电压、超CMOS逻辑和存储器件及相关材料。而在非冯·诺依曼计算中，新的存储元件和材料将促进半导体行业的创新。

　　为了使半导体性能实现进一步提升，众多半导体团队正在研究一种综合性方法，能够兼顾半导体技术的方方面面，包括新材料、新制造技术、新结构、新系统架构和应用。未来，基于半导体的系统——无论是小型传感器、高性能计算机还是其间的系统——都必须最大限度地提高性能，同时最大限度地减少能源使用并保证安全性和可靠性。

　　本报告提出了若干半导体行业发展愿景，这些研究议程说明，未来半导体技术将能够在诸如人工或增强智能(AI)、物联网(IoT)、高性能计算(HPC)系统和社会所期待和依赖世界等应用和领域中取得突破性进展。

　　要想将新应用推向现实市场，清晰的研究视野是至关重要的。本报告的目的就是为了确定，在半导体行业和价值链中需要优先考虑的一系列研究投资。2016年至2017年的九个月内，不同的行业专家团队和领导人共聚一堂，讨论并概述了影响行业进步至关重要的若干领域，用以指导未来的研究投入。这些领域是：

　　1.先进的设备、材料和封装

　　2.互连技术和体系结构

　　3.智能存储与内存

　　4.电源管理

　　5.传感器和通信系统

　　6.分布式计算和网络

　　7.认知计算

　　8.基于生物学的计算和存储

　　9.先进的体系结构和算法

　　10.安全和隐私

　　11.设计工具、方法和测试

　　12.下一代制造模式

　　想象一下在未来，分布式网络传感器、大数据中心和计算能力相结合，进一步促进技术创新并提高生活质量，实现这样的愿景，需要一个基础科学技术研究的广泛平台做支撑。该平台的指导目标是，使计算模式能够从根本上提高能源效率、性能和功能，同时确保足够的安全性。为了实现这一目标，迫切需要对超越传统的CMOS器件和电路、冯诺依曼结构以及信息处理方法进行研究。另外，还需要研发新材料和可扩展工艺，产生新的制造模式，并将这些新技术融入到产品制作中。

　　制定本研究议程的不同专家小组经过讨论，最终确定了若干待研究领域，它们相互依存，并与技术“堆栈”中的多个层次相关。实现上述目标的工艺需要跨学科的方法和在各个层面上工作的科学家和工程师之间的协作。

　　支持应用程序的技术层次

　　行业专家团队确定了以下亟待开拓的14个研究领域，以维持美国在先进计算系统领域的领先地位：

　　(一)先进的设备、材料和封装

　　想要显著提高新型信息处理系统的能源效率和性能，需要具有独特特征设备，而且很可能是基于非常规机制的设备。除了目前在缩放CMOS和常规架构中的研究需求和挑战之外，新型器件还要考虑诸如神经形态架构等替代架构的优势和要求。业界可以开发这样的设备以进一步改进冯诺依曼计算(例如，具有陡峭斜率的低功率设备)或支持非诺曼·诺依曼计算的体系。

　　新兴设备和机制通常需要不同性能的材料，这要求业界对替代材料系统和相关接口性质进行广泛研究，例如III-V、SiGe、碳基、低维(2D)、多铁、铁电、磁性、相变和金属绝缘体过渡材料。新材料系统的研发，需要精确的原子沉积和去除(蚀刻和清洁)方法，以便满足大面积适用性、低缺陷、紧密几何结构(亚10 nm)、3D集成，以及高吞吐量等要求。

　　安全性的实现主要在诸如，系统设计、算法、协议以及具有适合于安全的固有特征的材料和设备(例如，真实的随机性或不可克隆性)等方面中实现，但在硬件中，实现鲁棒安全特征的潜力也依然存在。设备和架构的协同优化对于充分利用设备特性并提高架构性能至关重要。

　　先进的3D集成和封装技术可实现垂直扩展和功能多样化，通过异构整合可能提升系统性能和功能。 除了工艺创新之外，材料和设备的进步也可能推动封装技术的发展，并拓宽3D集成的应用。

　　从小型嵌入式传感器到异构“片上系统”，产品的多样性和复杂性日益增加，对封装技术的挑战也越来越大。现今的异构系统集成了以前被降级为板级集成的元件，例如各种无源元件(电容器、电感器等)和有源元件(天线和通信设备，如滤波器)以及存储器和逻辑结构。今天的系统级集成允许每单位体积具有更多的功能。然而，它也突出了多种挑战，比如封装内功率如何更好的传递到更多功能块，热密度管理和信号完整性维护等。这种趋势还将导致装配复杂性和成本的增加，以及相关的可靠性和测试要求。

　　应用领域的快速增长正在对封装技术提出具体要求。在高性能计算中，I/O带宽密度瓶颈和热管理限制了整体封装系统的性能，这个问题重新点燃了业界对芯片间通信金属导体替代品的浓厚兴趣。先进的汽车应用正在推动新需求的产生——能够承受更高热度和功率密度的新型包装材料，以及能提高可靠性的更坚固的材料界面。移动消费应用正在加强严格的形式因素限制，这推动了封装技术的创新。移动领域最新进展包括芯片级封装、fan-out晶圆级封装的进步、采用3D/2.5D的集成技术。IoT产品需要低成本的封装技术，同时也需要创新，例如，用于可穿戴设备和其他新兴应用的灵活的、可拉伸的电子器件的封装。

　　潜在的研究课题

　　(1)低功耗、低电压、超CMOS逻辑和存储设备以及冯·诺依曼计算的相关材料：

　　(2)高开关比率的陡坡设备;

　　– 隧道场效应晶体管(TFET)等新型隧道晶体管，如共振隧穿晶体管;

　　– 具有栅极堆叠增益的晶体管，例如负电容FET。

　　(3)基于相变、晶格畸变、界面机制和其他转导机制的器件：

　　– Mott过渡器件、CDW的器件、应变器件和压电晶体管。

　　(4)基于自旋的逻辑和存储设备：

　　– 低电流密度下具有亚纳秒开关速度;

　　– 垂直磁各向异性(PMA)结中隧道磁阻(TMR)的幅度改善量级;

　　– 通过自旋过滤栅进行高自旋极化;

　　– 电荷-自旋转换效率提高10倍，例如自旋轨道耦合、Rashba界面和拓扑绝缘体材料的研究;

　　– 磁电和磁致伸缩开关机制提高能效的数量级;

　　– 利用畴壁运动等新颖机制的自旋装置;

　　– 分层和嵌入式应用中的磁存储器，例如通过抗铁磁性实现的超快切换，用于新型器件设计的巨型旋转霍尔效应等。

　　(5)超CMOS设备、储存元件、非冯·诺依曼计算材料

　　用于机器学习的硬件加速的装置，适用于人造神经网络训练和推断。例如人造神经元和突触装置，2-端模拟电阻装置，忆阻装置，基于旋转的装置和用于神经形态和生物启发信息处理的装置，以及相关材料开发。

　　– 纳米功能设备，例如保真的本机乘除和加法。

　　– 用于新型阵列计算和存储实现的内存器元件和2-端选择器，包括3D的采用。

　　(6)除电荷和自旋(例如，电化学、电生物、光子和相位)之外，设备和材料还利用其他状态变量，以满足着改善的性能、信息密度或能量效率的需求。

　　(7)物联网相关设备和材料：

　　– 用于传感器节点和网络中传感、信息处理、存储和通信的超低功耗设备设;

　　– 用于大面积传感器计算和机器学习领域的柔性或其他非传统基质材料和设备;

　　– 用于能量产生、清除、存储和管理的尺寸/重量受限的平台的材料和设备;

　　– 超CMOS器件和材料的THz通信和传感器。

　　(8)基于安全性的设备和电路：

　　– 具有独特属性的设备，以实现内置的安全功能，例如伪装、逻辑加密等;

　　– 制造具有降低能量和面积开销的安全原语的设备，例如物理不可克隆功能(PUF)，随机数发生器等。

　　(9)电源管理材料和设备：

　　– 用于提高功率性能的半导体材料和器件，包括给定击穿电压的低导通电阻和最佳切换品质因数。包括用于高电压，大功率器件的宽带隙半导体(例如GaN和SiC)以及用于低压功率转换器的高迁移率半导体(例如GaAs);

　　– 功率转换系统中的无源元件(电容，电阻和电感)的材料和器件;

　　– 多芯片模块的材料和封装技术。

　　(10)可实现高密度，细粒度、单片3D系统的设备，用于减少数据迁移和通信成本：

　　为逻辑结构和存储器的设计的高性能器件，适用于堆栈层集成的低温处理;所产生的能量延迟产品应比现存最有技术好1000倍。下一代逻辑器件的候选材料包括1D纳米管和纳米线，以及2D石墨烯，TMD材料。合适的存储器件是：自旋传输扭矩随机存取存储器(STTRAM)，电阻随机存取存储器(RRAM)和铁电随机存取存储器(FeRAM)或任何能够承受低热量并提供高性能的新型器件。

　　–能量收集器，连接装置和传感器的集成;

　　–多层堆栈集成电路(IC)的热管理;

　　–新型封装，适用于封装所有面的小尺寸可访问引脚;

　　–神经元装置与基本CMOS的集成;

　　–生物兼容封装选项。

　　支持应用程序的技术层次

　　(二)互联技术合体系架构

　　互连器件在集成电路内部和集成电路之间携带信息和功率，在确定半导体产品的功率需求和性能方面发挥关键作用。片上尺寸缩放、片外带宽、能量与性能的折衷推动了当前互连技术的发展。这些参数定义了路由设计的缩放、导体和电介质材料以及制造方法的选择。除了传统的缩放，新的发展方向包括新材料开发，与新兴设备兼容的新型互连架构，以及导致交替信号转换和传播介质的交替计算方法。

　　电路和系统设计人员试图将其继续缩减到更小的维度并增加功能，这就要求互连具有更低的延迟、更高的功效、更宽的带宽和更高的可靠性。但是随着互连变得越来越小，电互连的RC延迟增加，动态功耗随着介电空间的减小而增加，信号完整性降低，越来越大的串扰限制了更宽的宽带链路应用，更长的总线将导致更高的故障率和更低的产率。这些趋势在设计边际、材料属性要求和稳健性，以及工艺集成优化等方面构成重大挑战。

　　除了严重的可扩展性考验之外，互连架构必须展望未来，以适应新兴设备技术、新材料、新型计算模式、新制造方案和应用驱动的需求。

　　诸如新FET、自旋电子器件和光子器件等新兴器件对互连产生了新的限制。互连与新设备的集成需要考虑热预算匹配、RC管理以及与新材料的电气接触等方面。对于自旋电子学和光子学，则需要考虑互连层级中的信号转换和密度。基于自旋的传播很大程度上取决于松弛长度和时间，这导致信号波动和完整性的限制性规范。光子器件具有限制密度缩放的截止波长长度。

　　所有设备面临的一个共同的挑战是可变性。具有期望性能的新技术必须能够扩展到实际制造中，同时保持可接受的可变性水平。在尺寸更小的时候，由于随机过程的变化。可变性成为一个更大的问题，有些新材料，诸如2D材料和2D混合结构，具备许多潜在性能，当然也存在影响该材料广泛使用的诸多挑战，比如重现大面积沉积的方法、实现接触、线电阻对现有材料的竞争力，封装技术、载流子密度和流动性之间的内在权衡。

　　新的计算模式包括，允许多值逻辑(例如，模拟和量子计算)和利用信号权重和收敛性(例如，神经网络和神经形态计算)的并行计算。这些新的计算方法对互连架构、互连材料，信令机制和制造有影响。

　　集成和封装的变化可能导致互连技术的中断。例如，从2D到3D单片集成电路的过渡需要层叠的晶体管，这将影响互连路由和热预算控制。此外，多功能系统的异构集成需要互连的协同设计作为有源模块。在设备互连接口，fan-in/fan-out兼容性也需要仔细检查。 从长远来看，“智能互联”，如动态可重构的纤维，正处在研究的早期阶段。

　　扩展功能和应用程序的多样性，如传感器、生物医学测量、物联网模块、云服务器等，催生了互连定制技术的出现和发展。除了不断发展的片上需求外，片外互连架构也面临着在板级或云端连接执行特定功能模块的新挑战。要考虑的互连选项包括有线与无线，电子与非电子以及片上与片外。

　　有潜力的研究课题

　　能够实现10纳米以下尺寸电子互连的技术，包括导体、电介质及其集成方法。

　　– 新型金属和复合材料替代当前的金属(铜);

　　– 金属通孔之外的层间新型互连(例如，光学和等离子体互连);

　　– 新型自对准和自组装技术以提高集成密度;

　　– 自形成栅和新型二维栅材料;

　　– 光子开关器件和互连，包括光源、检测器和调制器;

　　– 旋转互连，包括用于自旋传播的新材料;

　　– THz有线和无线互连、视线/非视距(LOS/NLOS)传输、光互连、射频(RF)光子学、 自由空间、回程传输以及零开销和可扩展传输的空口创新等;

　　– 使用替代状态变量的新设备的本地互连;

　　– 可编程，高fan-in/fan-out互连解决方案;

　　– 超线性、宽带宽的电气和光纤链路，实现高调制格式;

　　– 探索数据中心级互连和网络创新，以显著提高可扩展性，并减少延迟和能耗;

　　– 自优化和弹性网络、可重构互连结构以及高速、安全的数据链路;

　　– 综合利用先进的内存/存储设备，并利用非传统和认知计算所优化的互连和封装技术，补充CMOS。