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)對國民經(jīng)濟(jì)和國家安全保障具有先導(dǎo)性，其水準(zhǔn)成為衡量綜合國力的重要標(biāo)志，由于其知識和技術(shù)密集型特點(diǎn)，對人才的依賴度尤為突出。深圳作為中國IC 產(chǎn)業(yè)核心區(qū)，長期以來仍受專業(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(shè)單位，正是大勢所趨，必然會對中國IC 產(chǎn)業(yè)格局起到深遠(yuǎn)的影響，對此本人專程前往深圳同于洪宇院長進(jìn)行交流。

于院長談及作為一個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(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；著力打造真正符合市場需求且具有國際競爭力四個研究中心，分別為IC 設(shè)計方法與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。

中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)應(yīng)對國際發(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：多尺度多物理場仿真設(shè)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)水平對比

2   專“芯”致志的寬禁帶科研情結(jié)

以5G 移動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， 還有管制類射頻GaN 器件制造商Macom 和Qorvo。國內(nèi)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)品只有歐美廠家。行業(yè)產(chǎn)品幾乎都為Sub-6 GHz 波段，功率皆>5 W/mm，國內(nèi)與國外差距不明顯。從學(xué)術(shù)界來看，以往由歐美實(shí)驗(yàn)室( 例如美國MIT 與瑞士ETH) 刷新紀(jì)錄的超高頻器件格局近年來正在被國內(nèi)團(tuán)隊(duì)打破，代表國內(nèi)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(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(nèi)外都是發(fā)展較慢卻有利于未來大規(guī)模市場化的結(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)計制造流程的起始就是EDA，這對中下游的設(shè)計、制造、封測行業(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，對高可靠計算機(jī)輔助設(shè)計手段EDA工具的依賴愈發(fā)強(qiáng)烈。

深港微電子學(xué)院與國際知名企業(yè)Synopsys 和國內(nèi)華大九天、鴻芯微納等廠商合作，進(jìn)行IC 設(shè)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(qiáng)國產(chǎn)化自主設(shè)計。同時全面推進(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(shè)集成電路產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺。與IC 設(shè)計方法學(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)計劃的核心，搭建IC 設(shè)計EDA 支撐平臺，涵蓋數(shù)字ASIC、混合信號IC、模擬IC，RF 射頻IC，還有三代半專用EDA，以及片上系統(tǒng)（SOC）在內(nèi)的多種設(shè)計流程和設(shè)計方法，對于含低功耗設(shè)計、可制造性設(shè)計（DFM）、可測性設(shè)計（DFT）等流程也納入公共EDA 平臺之中。該平臺業(yè)已制訂長遠(yuǎn)和持續(xù)發(fā)展的軟、硬件完善升級計劃，吸收國內(nèi)包括華大九天、鴻芯微納等知名廠商優(yōu)惠提供大學(xué)計劃EDA 軟件包，并不排斥國際知名廠商的參與。嚴(yán)格采用先進(jìn)的技術(shù)手段和管理模式，既保證設(shè)計數(shù)據(jù)的安全和技術(shù)保密，又尊重和保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，為中國科研和教學(xué)創(chuàng)造良好的環(huán)境，并樹立樣板工程。

在學(xué)院四個研究中心的布局中，EDA 工具承擔(dān)著關(guān)鍵的支持工作，為SOC 系統(tǒng)設(shè)計、傳感器應(yīng)用、第三代半導(dǎo)體三個中心提供服務(wù)，提供面向人工智能芯片（AI）設(shè)計的EDA 仿真平臺、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)計囊括寬禁帶、5G 中高頻、AI 類、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、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)封裝和測試技術(shù)、寬光譜光電與材料，以及未來更多的領(lǐng)域。

圖3 芯片設(shè)計制造基本流程框圖

4   結(jié)語

南科大成立整十周年，深港微電子學(xué)院正式成立不過兩周年，然而已在科研領(lǐng)域獲得多個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(dǎo)，砥礪前行、再接再厲，圍繞國產(chǎn)化半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，努力建設(shè)中國微電子學(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)中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新浪潮。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年3月期）