砥礪前行，推進(jìn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的“芯”潮

1   心“芯”相印的微電子教育情愫

集成電路(IC) 產(chǎn)業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全保障具有先導(dǎo)性，其水準(zhǔn)成為衡量綜合國(guó)力的重要標(biāo)志，由于其知識(shí)和技術(shù)密集型特點(diǎn)，對(duì)人才的依賴(lài)度尤為突出。深圳作為中國(guó)IC 產(chǎn)業(yè)核心區(qū)，長(zhǎng)期以來(lái)仍受專(zhuān)業(yè)人才缺乏的困擾，面臨自主國(guó)產(chǎn)化芯片浪潮，微電子教育體系創(chuàng)新迫在眉睫。2019 年1 月南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院成立，并被教育部列入國(guó)家示范性微電子學(xué)院建設(shè)單位，正是大勢(shì)所趨，必然會(huì)對(duì)中國(guó)IC 產(chǎn)業(yè)格局起到深遠(yuǎn)的影響，對(duì)此本人專(zhuān)程前往深圳同于洪宇院長(zhǎng)進(jìn)行交流。

于院長(zhǎng)談及作為一個(gè)國(guó)家示范性微電子學(xué)院，南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院重點(diǎn)構(gòu)建和完善人才培養(yǎng)和科研體系；以微納工藝研發(fā)和IC 設(shè)計(jì)與測(cè)試為支撐兩大平臺(tái)；聚焦新型通信芯片、人工智能芯片和生物芯片三大領(lǐng)域；著力打造真正符合市場(chǎng)需求且具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力四個(gè)研究中心，分別為IC 設(shè)計(jì)方法與EDA 研究中心、高性能IC 與片上系統(tǒng)集成研發(fā)中心、寬禁帶半導(dǎo)體研究中心和微系統(tǒng)與芯片應(yīng)用研究中心。

中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)應(yīng)對(duì)國(guó)際發(fā)展潮流，唯有迎頭趕上才能掌握先機(jī)。南科大第三代半導(dǎo)體器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究方向包括：多尺度多物理場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)、寬禁帶芯片、惡劣環(huán)境下新型傳感器、SiP 先進(jìn)封裝、大功率芯片封裝、封裝用先進(jìn)材料研究等。

在“5G 中國(guó)芯”如火如荼之際，深港微電子學(xué)院掛牌“國(guó)家5G 中高頻器件制造業(yè)創(chuàng)新中心”，又率先獲批 “未來(lái)通信集成電路教育部工程研究中心”。

化合物半導(dǎo)體是未來(lái)IC 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向，其中氮化鎵（GaN）技術(shù)是熱點(diǎn)。于洪宇團(tuán)隊(duì)在AlGaN/GaN HEMT 器件研究方面取得系列進(jìn)展為行業(yè)所關(guān)注, 如圖1 所示， 相關(guān)成果在國(guó)際微電子器件權(quán)威期刊IEEE Electron Device Letters、IEEE Transactions on Electron Devices 及IOP Semiconductor Science and Technology 上發(fā)表，其研究與優(yōu)化所催生的創(chuàng)新工藝有望實(shí)現(xiàn)常關(guān)型射頻器件，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化突破。

圖1 源漏歐姆接觸方面的成果與世界先進(jìn)水平對(duì)比

2   專(zhuān)“芯”致志的寬禁帶科研情結(jié)

以5G 移動(dòng)通訊為代表高密度基站所需功率放大器在高頻下要有高功率輸出，無(wú)論傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體器件，還是GaAs 半導(dǎo)體器件，高頻輸出效率都不高，實(shí)用效果不好。而第三代半導(dǎo)體GaN 有較寬禁帶寬度，已成為新型功率放大器首選。對(duì)輸出功率與工作頻率要求高于GHz 和5 W 以上的軍事雷達(dá)、航天通訊也大有裨益。

目前GaN 功率器件市場(chǎng)迅速擴(kuò)大，盡管已有部分產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，但依然存在如器件效率、器件成本和電流崩塌現(xiàn)象等難題，南科大已開(kāi)展器件和工藝相關(guān)研究集中解決。

GaN 射頻器件的主要生產(chǎn)廠商包含Wolfspeed、UMS， 還有管制類(lèi)射頻GaN 器件制造商Macom 和Qorvo。國(guó)內(nèi)方面，海威華芯及收購(gòu)OMMIC 的四川益豐。軍事用途的高端GaN 產(chǎn)品只有歐美廠家。行業(yè)產(chǎn)品幾乎都為Sub-6 GHz 波段，功率皆>5 W/mm，國(guó)內(nèi)與國(guó)外差距不明顯。從學(xué)術(shù)界來(lái)看，以往由歐美實(shí)驗(yàn)室( 例如美國(guó)MIT 與瑞士ETH) 刷新紀(jì)錄的超高頻器件格局近年來(lái)正在被國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)打破，代表國(guó)內(nèi)在產(chǎn)業(yè)與學(xué)術(shù)領(lǐng)域逐漸追趕上國(guó)際水平，也突顯高效器件如何從學(xué)術(shù)界轉(zhuǎn)移至產(chǎn)業(yè)的重要性。南科大于洪宇教授課題組早期重點(diǎn)研發(fā)GaN 功率器件，近兩年著手開(kāi)發(fā)GaN 射頻器件，不同于主流SiC 上GaN 器件，特色是Si 基GaN 器件，這在國(guó)內(nèi)外都是發(fā)展較慢卻有利于未來(lái)大規(guī)模市場(chǎng)化的結(jié)構(gòu)。在單步工藝，如歐姆接觸、器件表面鈍化與柵極工藝都有相關(guān)成果已經(jīng)發(fā)表，有些工藝甚至具有國(guó)際領(lǐng)先水平。如圖2 為深港微電子學(xué)院寬禁帶半導(dǎo)體研究方向。

圖2 寬禁帶半導(dǎo)體研究方向

3   全“芯”全意的EDA共享情誼

在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)行業(yè)中EDA 工具總是處于最上游，是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。如圖3 所示，芯片設(shè)計(jì)制造流程的起始就是EDA，這對(duì)中下游的設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)行業(yè)具有基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性、服務(wù)性重大作用。隨著IC 不斷向高集成度、高速度、低功耗、高性能發(fā)展，對(duì)高可靠計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段EDA工具的依賴(lài)愈發(fā)強(qiáng)烈。

深港微電子學(xué)院與國(guó)際知名企業(yè)Synopsys 和國(guó)內(nèi)華大九天、鴻芯微納等廠商合作，進(jìn)行IC 設(shè)計(jì)方法學(xué)研究，完善EDA 工具流程，積極參與國(guó)家解決“卡脖子”計(jì)劃，加強(qiáng)國(guó)產(chǎn)化自主設(shè)計(jì)。同時(shí)全面推進(jìn)國(guó)產(chǎn)集成電路EDA 工具平臺(tái)進(jìn)校園工作，與企業(yè)合作建設(shè)集成電路產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺(tái)。與IC 設(shè)計(jì)方法學(xué)和EDA 領(lǐng)域領(lǐng)先者合作建立實(shí)驗(yàn)室，充實(shí)EDA 研究中心資源。作為大學(xué)計(jì)劃的核心，搭建IC 設(shè)計(jì)EDA 支撐平臺(tái)，涵蓋數(shù)字ASIC、混合信號(hào)IC、模擬IC，RF 射頻IC，還有三代半專(zhuān)用EDA，以及片上系統(tǒng)（SOC）在內(nèi)的多種設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)方法，對(duì)于含低功耗設(shè)計(jì)、可制造性設(shè)計(jì)（DFM）、可測(cè)性設(shè)計(jì)（DFT）等流程也納入公共EDA 平臺(tái)之中。該平臺(tái)業(yè)已制訂長(zhǎng)遠(yuǎn)和持續(xù)發(fā)展的軟、硬件完善升級(jí)計(jì)劃，吸收國(guó)內(nèi)包括華大九天、鴻芯微納等知名廠商優(yōu)惠提供大學(xué)計(jì)劃EDA 軟件包，并不排斥國(guó)際知名廠商的參與。嚴(yán)格采用先進(jìn)的技術(shù)手段和管理模式，既保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的安全和技術(shù)保密，又尊重和保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為中國(guó)科研和教學(xué)創(chuàng)造良好的環(huán)境，并樹(shù)立樣板工程。

在學(xué)院四個(gè)研究中心的布局中，EDA 工具承擔(dān)著關(guān)鍵的支持工作，為SOC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳感器應(yīng)用、第三代半導(dǎo)體三個(gè)中心提供服務(wù)，提供面向人工智能芯片（AI）設(shè)計(jì)的EDA 仿真平臺(tái)、面向先進(jìn)芯片驗(yàn)證的多物理仿真工具、面向納米器件的量子物理TCAD 工具。

所支持芯片設(shè)計(jì)囊括寬禁帶、5G 中高頻、AI 類(lèi)、醫(yī)療、神經(jīng)元與大腦等芯片。EDA 的共享資源將惠及已有眾多聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，包括先進(jìn)芯片設(shè)計(jì)、智能現(xiàn)實(shí)芯片、生物芯片、能源物聯(lián)感知、三維封裝熱管理、先進(jìn)封裝和測(cè)試技術(shù)、寬光譜光電與材料，以及未來(lái)更多的領(lǐng)域。

圖3 芯片設(shè)計(jì)制造基本流程框圖

4   結(jié)語(yǔ)

南科大成立整十周年，深港微電子學(xué)院正式成立不過(guò)兩周年，然而已在科研領(lǐng)域獲得多個(gè)國(guó)家級(jí)和省市級(jí)資質(zhì)，包括獲批國(guó)家示范性微電子學(xué)院，于院長(zhǎng)對(duì)學(xué)院的快速發(fā)展態(tài)勢(shì)頗感欣慰。希望深港微電子學(xué)院以此為指導(dǎo)，砥礪前行、再接再厲，圍繞國(guó)產(chǎn)化半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，努力建設(shè)中國(guó)微電子學(xué)科拔尖人才培養(yǎng)高地和高水平科研的重點(diǎn)基地，并致力于將學(xué)院打造成為粵港澳大灣區(qū)建設(shè)的示范性深港澳合作標(biāo)桿項(xiàng)目，從而推進(jìn)中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新浪潮。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年3月期）