砥礪前行，推進(jìn)半導體產(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)對國民經(jīng)濟和國家安全保障具有先導性，其水準成為衡量綜合國力的重要標志，由于其知識和技術(shù)密集型特點(diǎn)，對人才的依賴(lài)度尤為突出。深圳作為中國IC 產(chǎn)業(yè)核心區，長(cháng)期以來(lái)仍受專(zhuān)業(yè)人才缺乏的困擾，面臨自主國產(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，并被教育部列入國家示范性微電子學(xué)院建設單位，正是大勢所趨，必然會(huì )對中國IC 產(chǎn)業(yè)格局起到深遠的影響，對此本人專(zhuān)程前往深圳同于洪宇院長(cháng)進(jìn)行交流。

于院長(cháng)談及作為一個(gè)國家示范性微電子學(xué)院，南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院重點(diǎn)構建和完善人才培養和科研體系；以微納工藝研發(fā)和IC 設計與測試為支撐兩大平臺；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(zhù)力打造真正符合市場(chǎng)需求且具有國際競爭力四個(gè)研究中心，分別為IC 設計方法與EDA 研究中心、高性能IC 與片上系統集成研發(fā)中心、寬禁帶半導體研究中心和微系統與芯片應用研究中心。

中國半導體產(chǎn)業(yè)應對國際發(fā)展潮流，唯有迎頭趕上才能掌握先機。南科大第三代半導體器件重點(diǎn)實(shí)驗室研究方向包括：多尺度多物理場(chǎng)仿真設計、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 中國芯”如火如荼之際，深港微電子學(xué)院掛牌“國家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)。于洪宇團隊在A(yíng)lGaN/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)成果在國際微電子器件權威期刊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)現常關(guān)型射頻器件，實(shí)現產(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)水平對比

2   專(zhuān)“芯”致志的寬禁帶科研情結

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)論傳統硅半導體器件，還是GaAs 半導體器件，高頻輸出效率都不高，實(shí)用效果不好。而第三代半導體GaN 有較寬禁帶寬度，已成為新型功率放大器首選。對輸出功率與工作頻率要求高于GHz 和5 W 以上的軍事雷達、航天通訊也大有裨益。

目前GaN 功率器件市場(chǎng)迅速擴大，盡管已有部分產(chǎn)業(yè)化應用，但依然存在如器件效率、器件成本和電流崩塌現象等難題，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(chǎng)商包含Wolfspeed、UMS， 還有管制類(lèi)射頻GaN 器件制造商Macom 和Qorvo。國內方面，海威華芯及收購OMMIC 的四川益豐。軍事用途的高端GaN 產(chǎn)品只有歐美廠(chǎng)家。行業(yè)產(chǎn)品幾乎都為Sub-6 GHz 波段，功率皆>5 W/mm，國內與國外差距不明顯。從學(xué)術(shù)界來(lái)看，以往由歐美實(shí)驗室( 例如美國MIT 與瑞士ETH) 刷新紀錄的超高頻器件格局近年來(lái)正在被國內團隊打破，代表國內在產(chǎn)業(yè)與學(xué)術(shù)領(lǐng)域逐漸追趕上國際水平，也突顯高效器件如何從學(xué)術(shù)界轉移至產(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(zhù)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，這在國內外都是發(fā)展較慢卻有利于未來(lái)大規模市場(chǎng)化的結構。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際領(lǐng)先水平。如圖2 為深港微電子學(xué)院寬禁帶半導體研究方向。

圖2 寬禁帶半導體研究方向

3   全“芯”全意的EDA共享情誼

在半導體設計行業(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。如圖3 所示，芯片設計制造流程的起始就是EDA，這對中下游的設計、制造、封測行業(yè)具有基礎性、戰略性、服務(wù)性重大作用。隨著(zhù)IC 不斷向高集成度、高速度、低功耗、高性能發(fā)展，對高可靠計算機輔助設計手段EDA工具的依賴(lài)愈發(fā)強烈。

深港微電子學(xué)院與國際知名企業(yè)Synopsys 和國內華大九天、鴻芯微納等廠(chǎng)商合作，進(jìn)行IC 設計方法學(xué)研究，完善EDA 工具流程，積極參與國家解決“卡脖子”計劃，加強國產(chǎn)化自主設計。同時(shí)全面推進(jìn)國產(chǎn)集成電路EDA 工具平臺進(jìn)校園工作，與企業(yè)合作建設集成電路產(chǎn)教融合創(chuàng )新平臺。與IC 設計方法學(xué)和EDA 領(lǐng)域領(lǐng)先者合作建立實(shí)驗室，充實(shí)EDA 研究中心資源。作為大學(xué)計劃的核心，搭建IC 設計EDA 支撐平臺，涵蓋數字ASIC、混合信號IC、模擬IC，RF 射頻IC，還有三代半專(zhuān)用EDA，以及片上系統（SOC）在內的多種設計流程和設計方法，對于含低功耗設計、可制造性設計（DFM）、可測性設計（DFT）等流程也納入公共EDA 平臺之中。該平臺業(yè)已制訂長(cháng)遠和持續發(fā)展的軟、硬件完善升級計劃，吸收國內包括華大九天、鴻芯微納等知名廠(chǎng)商優(yōu)惠提供大學(xué)計劃EDA 軟件包，并不排斥國際知名廠(chǎng)商的參與。嚴格采用先進(jìn)的技術(shù)手段和管理模式，既保證設計數據的安全和技術(shù)保密，又尊重和保護知識產(chǎn)權，為中國科研和教學(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 工具承擔著(zhù)關(guān)鍵的支持工作，為SOC 系統設計、傳感器應用、第三代半導體三個(gè)中心提供服務(wù)，提供面向人工智能芯片（AI）設計的EDA 仿真平臺、面向先進(jìn)芯片驗證的多物理仿真工具、面向納米器件的量子物理TCAD 工具。

所支持芯片設計囊括寬禁帶、5G 中高頻、AI 類(lèi)、醫療、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)驗室，包括先進(jìn)芯片設計、智能現實(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 芯片設計制造基本流程框圖

4   結語(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)國家級和省市級資質(zhì)，包括獲批國家示范性微電子學(xué)院，于院長(cháng)對學(xué)院的快速發(fā)展態(tài)勢頗感欣慰。希望深港微電子學(xué)院以此為指導，砥礪前行、再接再厲，圍繞國產(chǎn)化半導體產(chǎn)業(yè)鏈，努力建設中國微電子學(xué)科拔尖人才培養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建設的示范性深港澳合作標桿項目，從而推進(jìn)中國半導體產(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）