绕道摩尔定律中科院研究员探索半导体的“杂交水稻”技术

　　·游天桂认为，科研需要坚持，不要追热点。一辈子做一件事，研究透彻，成为领域顶尖。不管是高潮还是低谷，坚守一方小的阵地，总有一天会开花。

　　摩尔定律接近物理极限，追求极致的芯片尺寸对半导体设备的要求也越来越高。而半导体里的“杂交水稻”技术，可以结合化合物半导体和硅各自的优势，从材料创新角度提升器件性能，有望绕道摩尔定律。中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员游天桂3月2日对澎湃科技（）表示，他所研究的化合物半导体异质集成技术可基于硅衬底让不同材料发挥各自更擅长的能力，实现优势互补。基于这样的技术，未来单个芯片可实现多样化的功能，减小芯片尺寸，降低功耗，提高可靠性。

　　凭借化合物半导体异质集成技术，去年8月，游天桂入选“上海科技青年35人引领计划”获奖名单。

　　当前，集成电路主要采用硅作为衬底材料。但与硅相比，磷化铟（InP）、氮化镓（GaN）、氧化镓（Ga₂O₃）等化合物半导体具有更丰富的能带结构和更优异的电学和光学特性。与此同时，硅材料已经接近了物理极限，如果将化合物半导体和硅结合，可以在保持原有器件和工艺尺寸的基础上继续推进微电子器件性能。

　　半导体异质集成技术就是将不同工艺节点的化合物半导体高性能器件或芯片与硅基低成本高集成器件芯片，通过异质键合成或外延生长等方式集成。这种化合物半导体异质集成技术类似于杂交水稻，可以将不同功能的材料组合在一起，取长补短、优势互补，异质材料界面产生更优异的电、光、声、热物理特性，可以实现更高功率、更高频率、更高速率的光子与电子器件。

　　自上世纪50年代第一个晶体管出现后，研究人员就开始研究硅以外的化合物半导体。到上世纪90年代，随着通信技术的发展，产业界因为化合物半导体的优势开始关注这类新材料，探索将化合物半导体集成在硅上，开始发展化合物半导体异质集成技术。

　　过去，主流的化合物半导体异质集成工艺是异质外延生长，采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）等方法在一种衬底上生长另一种具有相似晶格结构的材料。异质外延生长要求两种材料之间的晶格相互匹配，就像造房子一样把砖头一块块对齐，否则易产生缺陷。因此异质外延生长只有在特定的衬底上长出特定的材料，难以实现不同晶格材料的异质集成。

　　游天桂团队利用了一种更为灵活的异质集成材料制备方法。他们将国外1995年发明的离子束剥离与转移技术推广到化合物半导体领域，将其变成一种制备化合物半导体异质集成材料的通用技术。游天桂介绍，利用离子束剥离与转移技术，就相当于直接从一个完美的化合物半导体单晶晶圆上切下一层，接着像手机贴膜一样贴到硅衬底上，只要表面足够平整，就可以实现任意材料的组合。

　　异质集成技术能雷火竞技否成为半导体换道超车的新机遇？游天桂表示，这是团队最希望做到的事情。如果能够成熟应用于集成电路领域，就不再需要追求极致的芯片工艺节点，也可以避开光刻机、刻蚀机等先进制程装备，可从材料创新角度提升器件性能。

　　中科院上海微系统所历来主攻方向之一是高端硅基材料及应用，上世纪80年代中期开展了绝缘体上硅（SOI）材料的研究。进入新世纪，SOI材料实现产业化，填补了国内空白。SOI类似三明治结构，在顶层硅和底层硅衬底之间引入一层二氧化雷火竞技硅。

　　2014年后，中科院上海微系统所欧欣研究员在此基础上研发XOI异质集成材料，这也是一种类似三明治的材料结构，最上层的X代表任意半导体，中间层是二氧化硅，底层是硅衬底。目前基于铌酸锂、钽酸锂的硅基压电材料已在上海嘉定实现产业化。2016年加入中科院上海微系统所后，游天桂也握住了接力棒。利用离子束剥离与转移技术，他的团队正在开发采用磷化铟、氮化镓、氧化镓等化合物半导体的XOI异质集成材料。

　　磷化铟在光通信领域具有重要应用前景。过去，研究人员也尝试利用离子束剥离磷化铟，转移到硅衬底上，但需要特别高的注入剂量和特定注入温度窗口，并不适合产业化。游天桂团队开发了氦氢离子共注技术，更高效地剥离磷化铟薄膜，并研制了4英寸硅基磷化铟异质集成晶圆。

　　“最近我们在硅基磷化铟上生长了激光器，也就是用Ⅲ-Ⅴ族材料做发光的激光器，把光学器件跟硅基衬底集成。对比异质外延生长和离子束剥离与转移两种技术方法，我们发现利用后者制备的器件，阈值电流密度、工作温度目前都达到了国际最高水平。”游天桂说，他们用一个更小的电流就可以让器件发光，器件也可以耐受更高的温度。

　　除了高质量硅基磷化铟异质集成，他们也在研究高导热氧化镓异质集成晶圆。氧化镓被认为是继氮化镓、碳化硅后最有望实现产业化应用的一种宽禁带半导体材料，在功率器件领域具有应用前景，但其致命缺陷是热导率低、散热能力差，影响器件雷火竞技寿命。2018年起，游天桂团队探索把氧化镓与具有高热导率的衬底集成，从而帮助其散热，他们用离子束剥离与转移技术首次实现了晶圆级氧化镓单晶薄膜与高导热衬底（Si或SiC）的异质集成，氧化镓功率器件的散热能力提升4倍，解决了氧化镓器件的散热瓶颈。

　　游天桂团队也在探索解决高导热氧化镓异质集成晶圆的工艺难题。用离子束剥离与转移技术将两种材料“贴”在一起，由于材料热膨胀系数不同，温度升高，材料膨胀，产生应力，材料间相互拉扯易破坏异质集成材料。为此，材料间必须紧密贴合。不同于过去采用日本的键合技术，为实现自主可控，游天桂团队开发了热键合技术，既减小应力，也无需在真空环境中操作，更适合量产。

　　游天桂闯入科研世界，始于大学二年级的暑假。那时候利用暑假和课余时间，他泡在实验室研究新型半导体材料，大三时获得了国家大学生创新实验计划项目，这为他打开了科研的大门。2012年10月，游天桂获得国家留学基金委的资助，前往德国开姆尼茨工业大学攻读博士。第二年刚过完元旦，大部分德国人还在休假，他的德国导师回到实验室上班。实验室里，只有游天桂和导师两人，他只能用英语磕磕绊绊和导师交流。

　　“刚到两个多月，也算是运气好，在一个器件上发现了一个新的特性。”围绕这个话题，游天桂和导师讨论了一整天，在A4纸上不停写。那一年，基于这个发现，游天桂在《先进功能材料》等期刊上连续发表论文。“从那以后，我就觉得我适合做科研，科研让我产生满足感和信心。”

　　2016年，磷化铟、氮化镓等化合物半导体在国际学术界和产业界大热。游天桂也认为，化合物半导体具有发展前景。2016年回国后他开启了化合物半导体异质集成技术研究。“那时候还没有太多人关注异质集成这个方向，我们一直花了很大精力把离子束剥离与转移技术推广到化合物半导体。”

　　刚开始摸着石头过河，研究物理本质，看到其他团队的研究报道，尽管采用了同样的工艺条件，但自己却做不出同样的结果。“刚开始我们不知道要注入多少离子才能把化合物半导体剥开，就需要反复做实验，周期很长。”慢慢积累了经验，现在拿到一个新材料，就能大致判断出需要注入多少离子，再进行优化，快速走通工艺。

　　“科研需要坚持，不要追热点。这几年新出来的材料很热，很多人一窝蜂涌上去，过几年这种材料可能没那么热了，或许就要换一个研究方向。”游天桂更认同一辈子做一件事，研究透彻，成为领域顶尖。“不管是高潮还是低谷，坚守一方小的阵地，总有一天会开花。”

　　目前，游天桂团队正基于异质集成材料开发器件工艺。“过去的器件工艺都是基于单纯的磷化铟或单纯的氮化镓，现在有了硅基磷化铟和硅基氮化镓，器件工艺跟过去是不一样的。”“中科院的研究所强调主责主业，解决国家的需求和痛点。”他希望自己的研究真正有用，未来可应用于人们日常生活中，比如手机的射频器件。就像过去的硅基压电材料一样，他期望硅基磷化铟、硅基氮化镓、高导热氧化镓也能实现产业化。

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