尋找硅以外的半導(dǎo)體材料的方法和探索

來(lái)源：內(nèi)容由 公眾號(hào) 半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）翻譯自「DARPA」，謝謝。

此時(shí)此刻，半導(dǎo)體行業(yè)理所當(dāng)然地關(guān)注著摩爾定律即將發(fā)生的變化，這個(gè)著名的技術(shù)預(yù)測(cè)奠定了微電子時(shí)代驚人進(jìn)步的基礎(chǔ)，以及它對(duì)硅芯片技術(shù)持續(xù)進(jìn)步和主導(dǎo)地位的潛在影響。這意味著考慮微系統(tǒng)的歷史中的另一個(gè)卓有遠(yuǎn)見(jiàn)的觀點(diǎn)是值得的。當(dāng)新生的高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）在1959年度過(guò)一周年紀(jì)念日時(shí)，加州理工學(xué)院的理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）教授發(fā)表了他最著名、最重要的演講之一，題為“在底部還有很大空間”。

同戈登·摩爾一樣，費(fèi)曼也預(yù)測(cè)到了微尺度系統(tǒng)內(nèi)的許多技術(shù)進(jìn)步機(jī)會(huì)。然而，費(fèi)曼的觀點(diǎn)更為寬泛，強(qiáng)調(diào)了在原子尺度上操縱結(jié)構(gòu)的能力所帶來(lái)的奇特可能性。DARPA在將包括半導(dǎo)體在內(nèi)的許多“奇異”結(jié)構(gòu)帶入現(xiàn)實(shí)生活的過(guò)程中發(fā)揮了核心作用，其能力超越了半個(gè)世紀(jì)以來(lái)硅電子所取得的二進(jìn)制處理能力。

費(fèi)曼的演講在20世紀(jì)80年代激發(fā)了人們對(duì)納米技術(shù)的興趣，因?yàn)樗麑?duì)納米技術(shù)的推測(cè)以及在原子尺度上定制材料的能力正逐步實(shí)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)，新興的晶體生長(zhǎng)技術(shù)正在創(chuàng)造一種稱為復(fù)合半導(dǎo)體的材料，在這種材料中，精確的化學(xué)成分或合金可以在原子水平上逐層變化。特別是GaAs及其合金作為新的神奇材料出現(xiàn)，使晶體管的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)硅的極限。DARPA發(fā)現(xiàn)新型GaAs晶體管具有更快速移動(dòng)電子的潛力，從而可以在電磁頻譜的更高頻率上工作。雖然這項(xiàng)新技術(shù)不會(huì)在高度集成的數(shù)字邏輯上取代硅技術(shù)，但DARPA預(yù)計(jì)其價(jià)值將推動(dòng)下一代雷達(dá)和通信系統(tǒng)的發(fā)展。為此，DARPA在1988年從國(guó)防部長(zhǎng)辦公室（OSD）手中接過(guò)了指揮棒，開(kāi)始了“微波和毫米波集成電路（MIMIC）”計(jì)劃，該計(jì)劃于兩年前由OSD提出。

DARPA的MIMIC技術(shù)，特別是由它產(chǎn)生的集成技術(shù)，使國(guó)防部能夠制造出無(wú)線電和雷達(dá)系統(tǒng)，以比先前任何時(shí)候都更高的頻率和帶寬使用頻譜。

2018年3月11日，美國(guó)空軍一架F-16C獵鷹戰(zhàn)斗機(jī)在阿富汗上空同KC-135同溫層加油機(jī)補(bǔ)給完畢后，起飛返回巡邏區(qū)域。這架飛機(jī)的聯(lián)合直接攻擊彈藥的核心是通過(guò)DARPA的MIMIC計(jì)劃開(kāi)發(fā)的高性能芯片，這種芯片也使得精確武器所需的RF和毫米波電路成為可能。

一名第10山地師步兵旅戰(zhàn)斗隊(duì)3-6 FA的士兵駕駛著新型精密火力拆卸系統(tǒng)，該系統(tǒng)讓士兵可以通過(guò)一個(gè)應(yīng)用程序在已批準(zhǔn)的智能手機(jī)上觀看無(wú)人機(jī)上的實(shí)時(shí)流媒體全動(dòng)態(tài)視頻。世界范圍內(nèi)普遍使用的手機(jī)技術(shù)部分歸功于DARPA資助研究的GaAs半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

MIMIC計(jì)劃一直持續(xù)到1995年，對(duì)工業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，它尋求開(kāi)發(fā)將高頻材料和組件集成到軍事相關(guān)技術(shù)（如無(wú)線電和雷達(dá)）中的方法和手段，并建立可靠的工業(yè)基地完成這些事情。實(shí)際上，MIMIC計(jì)劃可以實(shí)現(xiàn)GaAs晶體管技術(shù)，從而產(chǎn)生一類新的RF“前端”組件。射頻系統(tǒng)的前端是在電磁頻譜中發(fā)送和接收信號(hào)的放大技術(shù)。DARPA的MIMIC技術(shù)，特別是其中出現(xiàn)的集成技術(shù)，使得國(guó)防部（DOD）能夠制造出比以往任何時(shí)候都能在更高頻率和帶寬上接入頻譜的無(wú)線電和雷達(dá)系統(tǒng)。GaAs技術(shù)在國(guó)防部系統(tǒng)中的應(yīng)用一直持續(xù)到今天。

除了國(guó)防應(yīng)用之外，高頻GaAs放大器為商業(yè)界提供了一個(gè)關(guān)鍵的拼圖，因?yàn)樯虡I(yè)界在上世紀(jì)90年代尋求建立新的移動(dòng)電話技術(shù)。GaAs晶體管使得裝有小電池的手提電話能夠建立與發(fā)射塔的關(guān)鍵通信鏈路。直到今天，每一部智能手機(jī)都包含一小部分GaAs來(lái)執(zhí)行這一關(guān)鍵功能，而且由于DARPA對(duì)MIMIC計(jì)劃的投資，美國(guó)在這個(gè)價(jià)值數(shù)十億美元的半導(dǎo)體行業(yè)的供應(yīng)商中享有占據(jù)主導(dǎo)地位。

GaAs技術(shù)的成功證明了硅之外的半導(dǎo)體技術(shù)的防御意義和商業(yè)可行性，并將一種曾經(jīng)新奇的研究材料變成了一種商品技術(shù)。然而，即使GaAs正在逐漸成熟，但由美國(guó)海軍研究辦公室（ONR）和其他機(jī)構(gòu)贊助的研究人員已經(jīng)開(kāi)始發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料的下一個(gè)飛躍。寬帶隙半導(dǎo)體（WBGS）材料被認(rèn)為是很有前途的，因?yàn)樗鼈兡芟馟aAs那樣快速移動(dòng)電子，同時(shí)也能處理大電場(chǎng)。這種高電流和高電壓的結(jié)合驅(qū)動(dòng)了提供更多RF功率的能力。雖然世界各地也正在開(kāi)發(fā)幾種候選材料，但DARPA認(rèn)為GaN及其合金最有前途，并且建立了寬帶隙半導(dǎo)體射頻（WBGS-RF）計(jì)劃來(lái)快速推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)。

WBGS-RF計(jì)劃試圖將尚未經(jīng)證實(shí)的有潛力的材料成熟化，使之成為可以促進(jìn)國(guó)防事業(yè)的工業(yè)技術(shù)。該計(jì)劃于21世紀(jì)初啟動(dòng)，最初采用GaN材料，用直徑2英寸的小型半導(dǎo)體晶圓承載，晶圓上有大量微管或孔洞，形如瑞士奶酪。在這種不順利的狀態(tài)下，WBGS-RF計(jì)劃系統(tǒng)地解決了材料方面的挑戰(zhàn)，然后逐步成功地承擔(dān)了器件和電路設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)。最終，GaN技術(shù)實(shí)現(xiàn)了它的承諾，現(xiàn)在正被用于下一代雷達(dá)技術(shù)，如海軍的空中和導(dǎo)彈防御雷達(dá)（AMDR）。除此之外，還有更多的事情要做：GaN現(xiàn)在是所有主要RF半導(dǎo)體公司的技術(shù)組合的一部分。美國(guó)再次在這個(gè)新興市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。

DARPA的努力使得復(fù)合半導(dǎo)體從研究邊緣發(fā)展成為主流半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。DARPA還推動(dòng)主流硅技術(shù)采用包括硅合金在內(nèi)的變體。特別值得一提的是，硅與鍺的組合是DARPA在21世紀(jì)初支持的“高效、敏捷的微系統(tǒng)技術(shù)(TEAM)”計(jì)劃所倡導(dǎo)的技術(shù)。鍺（Ge）是1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室制造的晶體管的材料基礎(chǔ)；然而，由于鍺的可靠性問(wèn)題和硅的加工優(yōu)勢(shì)，鍺很快就被拋棄，人們轉(zhuǎn)而青睞硅。讓鍺回歸的理由是，盡管它本身沒(méi)有用，但是包含Ge與Si或SiGe混合的材料使得具有增強(qiáng)RF性能的器件的原子級(jí)工程可以直接構(gòu)建高密度的傳統(tǒng)硅邏輯器件。這種技術(shù)不具備GaAs和GaN等其他復(fù)合半導(dǎo)體的完整性能優(yōu)勢(shì)，但它有能力生產(chǎn)混合模擬和數(shù)字功能的芯片。事實(shí)證明，這種特性非常有用，SiGe技術(shù)現(xiàn)在已成為為本地WiFi放大器等應(yīng)用提供低功耗商用解決方案的主導(dǎo)，現(xiàn)在有望為5G通信提供相控陣系統(tǒng)。

GaAs、GaN和SiGe晶體管技術(shù)的這些引人注目的成功證明了通過(guò)在原子尺度上操縱晶體結(jié)構(gòu)可能實(shí)現(xiàn)的持續(xù)創(chuàng)新。然而，即使這些努力也是在硅半導(dǎo)體領(lǐng)域建立的相對(duì)容易理解的晶體管物理范例內(nèi)進(jìn)行的。微系統(tǒng)更廣泛的前沿領(lǐng)域已經(jīng)超越了材料的電子特性，正如在此過(guò)程中出現(xiàn)的一些更奇特的技術(shù)所說(shuō)明的那樣。例如，DARPA在21世紀(jì)初進(jìn)行了一系列計(jì)劃，利用半導(dǎo)體加工來(lái)制造可移動(dòng)和彎曲的微小結(jié)構(gòu)，而不僅僅是傳導(dǎo)電子，支持了微型機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的發(fā)展。MEMS技術(shù)在DARPA的支持下蓬勃發(fā)展，如今已發(fā)展成為一個(gè)價(jià)值數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)。MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器和執(zhí)行器是安全氣囊保護(hù)系統(tǒng)、導(dǎo)航，以及游戲產(chǎn)品的核心，甚至是在影院屏幕上投射電影的內(nèi)含數(shù)百萬(wàn)個(gè)的微鏡的數(shù)字微鏡芯片。

近年來(lái)，DARPA率先利用所謂的相變材料來(lái)制造RF開(kāi)關(guān)，這種開(kāi)關(guān)通過(guò)材料晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換來(lái)操作，而不是通過(guò)傳統(tǒng)的晶體管動(dòng)作。這種大規(guī)模轉(zhuǎn)換到另一種物理基礎(chǔ)和用于數(shù)字切換的材料，讓太赫茲頻段的RF開(kāi)關(guān)的演示成為可能，太赫茲頻段是手機(jī)操作頻率的1000倍左右。

在DARPA的持續(xù)投資下，半導(dǎo)體技術(shù)層出不窮，它們強(qiáng)化了費(fèi)曼關(guān)于微系統(tǒng)領(lǐng)域存在的廣泛機(jī)會(huì)的觀點(diǎn)。雖然這些微米和納米的景觀已經(jīng)不是DARPA成立時(shí)的樣子，但是在底部還有很大空間！

圖1：2英寸單晶GaAs晶圓，紫色是橡膠手套的反射。

圖2：DARPA的GaN-on-diamond高電子遷移率晶體管（HEMT）表現(xiàn)出了改進(jìn)的熱性能，可以為RF系統(tǒng)帶來(lái)更好的性能。

圖3：密歇根大學(xué)受DARPA資助的研究人員在定時(shí)和慣性測(cè)量單元（TIMU）方面取得了重大進(jìn)展，該單元包含了暫時(shí)無(wú)法使用GPS時(shí)所需的一切輔助導(dǎo)航。單芯片TIMU原型包含六軸IMU（三個(gè)陀螺儀和三個(gè)加速度計(jì)），并將高度精確的主時(shí)鐘集成到比一美分硬幣還小的微型系統(tǒng)中。這個(gè)IMU芯片集成了突破性器件（時(shí)鐘、陀螺儀和加速度計(jì)）、材料，以及DARPA的“用于定位導(dǎo)航授時(shí)的微技術(shù)(Micro-PNT)”計(jì)劃中的設(shè)計(jì)。