半導體異質集成電路
中國集成電路落后三大原因：

EDA落后，現階段研究算法的多，但很靈散，沒有規劃、集成，形成能力，大型軟件工程能力較弱，經驗較少，用戶部愿意使用國產軟件工具；

裝備落后，這主要是整體能力和市場環境等多方面因素影響；

器件與電路落后，表現材料落后；工藝精細度和穩定性不足。

現在，集成電路有錢也買不到，2020年5月，美國商務部宣布全面限制華為購買美國技術生產的半導體產品；2021年4月，美國議員建議對14nm以下所有中國芯片公司出口管制。

目前，芯片有兩條主要發展路線：

? 延續摩爾定律；

? 繞道摩爾定律。

大家很清楚摩爾定律，現在面臨一些挑戰，包括物理極限挑戰，技術手段挑戰和經濟成本挑戰，光算經濟賬都不得了。繞道摩爾定律有很多途徑，途徑之一就是異質集成電路。

半導體異質集成電路將是中國芯片彎道超車的可能路徑之一

半導體異質集成電路，就是將不同工藝節點的化合物半導體高性能器件或芯片、硅基低成本高集成器件成芯片（都含光電子器件或芯片），與無源元件或天線，通過異質鍵合成或外研生長等方式集成而實現的。異質集成電路特色突出：

? 可以融合不同半導體材料、工藝、結構和元器件或芯片的優點；

? 采用系統設計理念；

? 應用先進技術比如IP和小芯片，chiplet；具有2.5D或3D高密度結構。

質集成電路優點明顯：

? 實現強大的復雜功能、優異的綜合性能，突破單一半導體工藝的性能極限；

? 靈活性大、可靠性高、研發周期短；

? 三維集成可以實現小型化、輕質化；對半導體設備要求相對比較低，不受EUV光刻機限制。

毫米波異質集成電路，“毫米波是從30個G到300個G的頻段波段，帶寬很寬，器件小型化，也是國際上半導體異質集成電路發展的重點方向。目前市場三大有三個特殊原因，對異質集成電路需求更加迫切：

? 一是滿足很多需求從5G、6G到航天導航到無人駕駛、智能裝備到物聯網都需要毫米波技術；

? 二是毫米波系統包括數字電路、模擬電路、射頻微波電路，所以對于異質集成更加迫切；

? 三是毫米波異質所面臨的挑戰和問題更為嚴峻和復雜。因為頻率高具有分布式參數，從“路”向場演變；模塊之間的間距只有微秒量級、耦合緊密，造成設計工藝更加復雜。

研究半導體異質集成電路的科學意義顯著?？梢酝ㄟ^集成電路從目前單一同質工藝向多種異質工藝集成方向發展，從目前二維平面集成向三維立集成方向發展，從TOP-DOWN到BOTTOM-UP發展，可以實現高性能的復雜系統。價值首先是電子系統集成技術發展的新途徑；其次是后摩爾時代集成電路發展新方向；最后也是國家半導體集成電路變道超車發展的新機遇。

美國希望通過異質集成電路能將電力系統提升性能提高10倍，使得探測能力和速度提高100倍，體積、重量和功耗下降到目前的1/100。

國產射頻EDA軟件
設計是射頻產業鏈的源頭，射頻電子設計自動化(EDA)軟件是射頻電路設計的使能端，也是射頻產業的重要基石。針對中國對自主可控的射頻電路EDA軟件的迫切需求，自主研發的整套射頻EDA仿真軟件。

提出了高效的電磁和多物理仿真建模算法，自主研發仿真軟件，實現器件多物理、多功能自動化協同設計，基于上述成果聯合建立了集成無源器件知識產權(IP)庫、研制了多款產品，已經在移動通信、衛星通訊和集成電路等多個領域取得推廣應用，為中國在射頻EDA軟件領域打破國際封鎖做出了重要貢獻。

與芯和半導體科技(上海)有限公司開展合作，共發布48款國產射頻EDA商用軟件工具，500種高精度PDK模型，與中芯國際工藝兼容的集成無源器件IP庫，已經量產3.5億顆，基本實現了無源射頻集成電路EDA工具自主可控。現在，這套合作研制的系列國產射頻EDA商用軟件，用于半導體、航空航天、雷達、通信、汽車等行業客戶200家，系統用戶包括中興、華為、聯想、富士康、華蘭、中電、中航等眾多公司，已經實現對Cisco、Intel、IBM、Apple等國際著名公司的出口。

分享了4D手勢識別雷達、毫米波雷達麥克風、生物學毫米波雷達、Wi波段異質集成片上雷達、基于多層BCB工藝的單/雙通帶濾波器的最新進展。

未來5年研究目標直指核心技術，包括EDA技術與軟件，包括模型反向構建與多性能多功能協同技術、軟件可分析設計3層6種芯片異質集成電路，可以驗證到325GHz。這些技術的突破將未來為移動通信、物聯網、雷達探測等國家重大新基建和重要裝備研制提供自主核心技術支撐。未來10年研究目標，包括把光電子和電子集成在一起，這個難度更大，希望能夠突破異質生長工藝，把軟件完全商業化。
芯片現在有2 條主要發展路線：

? 延續摩爾定律；

? 繞道摩爾定律。摩爾定律現在面臨一些挑戰，物理極限挑戰；技術手段挑戰；經濟成本挑戰——光算經濟賬都不得了。繞道摩爾定律有很多途徑，途徑之一是異質集成電路。

1.1 異質集成電路的特點

有2 類主要的半導體材料：

? 以硅為代表的元素半導體；

? 以砷化鎵等為代表的化合物半導體。這兩類半導體各有優缺點，從材料到電路優點很突出，電路缺點也很突出（表1）。

現狀是一些復雜的電子系統，如毫米波收發前端系統，用任何單一的半導體工藝都較難完美實現（圖2），有些部件用SiGe 芯片，有些部件更適合用GaN 芯片，人們自然而然地想到有沒有一種辦法把不同節點的半導體材料工藝結合起來。異質集成就具有這個功能。

半導體異質集成電路是將不同工藝節點的化合物半導體高性能器件或芯片、硅基低成本高集成器件組成芯片（都含光電子器件或芯片）與無源元件（含MEMS）或天線，通過異質鍵合或外延生長等方式集成而實現的集成電路或系統。

? 異質集成特色很突出：

? 可以融合不同的半導體材料、工藝、結構和元器件或芯片的優點；

? 采用系統設計理念；

? 應用先進技術，如IP 和小芯片（chiplet），以及集成無源器件等新技術；具有2.5 維或3 維高密度結構。

正因為這些特色，所以異質集成的優點很突出：

? 實現強大的復雜功能、優異的綜合性能，突破單一半導體工藝的性能極限

? 靈活性大，可靠性高，研發周期短，成本低；

? 3 維集成可以實現小型化、輕質化；

? 對半導體設備要求相對比較低，不受EUV 光刻機限制，因此是“超越摩爾定律”的重要路線之一。

1.2 毫米波異質集成電路

在半導體異質集成電路中有種特殊的集成電路：毫米波異質集成電路。毫米波是從（30 ～ 300）GHz 的波段，帶寬很寬，器件小型化，也是國際上半導體異質集成電路發展的重點方向。

現在對異質集成電路需求迫切，主要有3 個原因：①從5G、6G 到航天導航、無人駕駛、智能裝備、物聯網等都需要毫米波技術；②毫米波系統包括數字電路、模擬電路、射頻微波電路，對于異質集成的需求更加迫切；③毫米波異質所面臨的挑戰和問題更為嚴峻和復雜：因為頻率高，具有分布式參數，從“路”向場演變，設計更加困難；波長短，模塊之間的間距只有微米量級，集成度高，對工藝要求更加精細；有電磁寄生效應，耦合緊密，測試更加復雜。

研究半導體異質集成的科學意義也是很顯著的。可以通過集成電路從目前單一同質工藝向多種異質工藝集成方向發展，從目前2 維平面集成向3 維立集成方向發展，從Top-Down（自頂向下）到Bottom-Up（自底向上）發展。

可以實現高性能的復雜系統。

? 電子系統集成技術發展的新途徑；

? 后摩爾時代集成電路發展新方向；

? 我國半導體集成電路變道超車發展的新機遇。

2 現狀與問題

2.1 國際上EDA、工藝、封裝的研究基礎和進展國際上從EDA 工具到工藝，到封裝有一些研究基礎和進展。

● 從工具來看，NAGS 開發了當前異質集成最先進的工藝，這些工藝的功能包括版圖設計、電路綜合分析，與業界的標準工藝兼容的。

● 從工藝來看，目前有4 種主流的半導體異質集成工藝。最先進也是難度最大的是異質外延生長工藝，它是器件級的異質集成；另外3 種包括異質外延轉移、小芯片微米級組裝、異質晶圓鍵合（是小系統級的集成），各有優缺點。

異質集成電路樣品研究發展也有很多進展。如美國DRAPA 的SMART 項目中，研制出44 GHz 的毫米波雷達系統，整個陣列厚度小于10 mm，功能密度相比傳統提高了2 個數量級。

小芯片也有很多進展，不管是互聯還是多種形式。如英特爾和三星在2020 年IEDM 重要的半導體國際會議都發布了3 維異質集成的產品。臺積電是以代工著稱，但是近幾年高度重視芯片的封裝集成的技術，而且起點非常高，如用最先進的3D Fabric 制作出3 維堆疊的芯片——SoIC，達到12 層，還有臺積電用于智能手機的3D System。

● 封裝技術的重心正在慢慢從后端封裝廠移到前端半導體代工廠。芯片有一個摩爾定律，封裝集成有一個系統集成定律，指的是復雜電子系統中能夠集成的芯片數量、元器件數量也是每18 個月或2 年翻一番，功能提高1 倍，成本下降一半。圖3 是系統集成定律的曲線，可見更加陡峭。

圖3 集成電路摩爾定律與系統集成定律

2.2 異質集成發展藍圖（HIR）帶來的挑戰

根據異質集成發展藍圖（HIR）[ 注：以前叫國際半導體發展藍圖（ITRS），現在已停止發布了]，總體趨勢也是集成度和工作速度不斷提高，特別是電子、光電、機械一體化集成，這也是重要的發展趨勢。這樣就帶來三大主要挑戰：多物理調控（電磁、溫度、應力）；多性能協同（信號/ 電源完整性、熱、力……）；多材質融合（半導體硅、化合物半導體、Cu 等金屬、BCB材料……）。

這三大挑戰就會引起4 個主要科技問題：

? 跨尺度電、熱、應力多物理場緊密耦合；

? 多性能、多功能協同機制、電特性、應力特性、熱特性往往是相互矛盾的，功能也需要協同；

? 由于不同的材料晶格、膨脹系數差異，需建立異質界面動力學，認識擴散、成核、粘合機理，通過界面調控融合實現高可靠異質集成。異質集成受制于電、熱、應力多物理特性，要認識內在關系，從而實現半導體工藝量化設計與控制。目前的工藝主要是一些定性分析和量化，希望能夠從定性走向定量，這也是一個飛躍。

? 異質集成電路可測性原理。因為是3 維高密度集成，探測點很少，耦合效應很嚴重，帶來了測試挑戰，因此要掌握可測性原理，建立物理特性可測試的充分和必要認知。

針對這4 個問題，提出了總體研究思路。

打破集成電路傳統“路”的思路，以耦合多物理場理論為基礎，場、路結合，進行多學科交叉，包括電子科學與技術、物理學，特別是人工智能對電路的設計，需要力學、化學、材料等多學科交叉開展研究（如圖4）。

圖4 總體研究思路

3 成果與展望

未來10 年研究目標，包括把光電子和電子集成在一起，這個難度更大，也希望能夠突破異質生長工藝，讓軟件完全商業化。

摩爾定律正面臨嚴峻挑戰，這也是一個轉折點，也是一個機遇。

參考鏈接：

http://www.eepw.com.cn/article/202108/427609.htm

http://www.elecfans.com/d/1635817.html

總結

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