·化合物半導(dǎo)體異質(zhì)集成技術(shù)相當(dāng)于半導(dǎo)體里的“雜交水稻”技術(shù)，可以將不同功能的材料組合在一起，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

·游天桂認(rèn)為，科研需要堅(jiān)持，不要追熱點(diǎn)。一輩子做一件事，研究透徹，成為領(lǐng)域頂尖。不管是高潮還是低谷，堅(jiān)守一方小的陣地，總有一天會(huì)開花。

中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員游天桂。

摩爾定律接近物理極限，追求極致的芯片尺寸對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備的要求也越來越高。而半導(dǎo)體里的“雜交水稻”技術(shù)，可以結(jié)合化合物半導(dǎo)體和硅各自的優(yōu)勢(shì)，從材料創(chuàng)新角度提升器件性能，有望繞道摩爾定律。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員游天桂3月2日對(duì)澎湃科技（www.kxwhcb.com）表示，他所研究的化合物半導(dǎo)體異質(zhì)集成技術(shù)可基于硅襯底讓不同材料發(fā)揮各自更擅長(zhǎng)的能力，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。基于這樣的技術(shù)，未來單個(gè)芯片可實(shí)現(xiàn)多樣化的功能，減小芯片尺寸，降低功耗，提高可靠性。

憑借化合物半導(dǎo)體異質(zhì)集成技術(shù)，去年8月，游天桂入選“上海科技青年35人引領(lǐng)計(jì)劃”獲獎(jiǎng)名單。

半導(dǎo)體里的“雜交水稻”技術(shù)

當(dāng)前，集成電路主要采用硅作為襯底材料。但與硅相比，磷化銦（InP）、氮化鎵（GaN）、氧化鎵（Ga?O?）等化合物半導(dǎo)體具有更豐富的能帶結(jié)構(gòu)和更優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)特性。與此同時(shí)，硅材料已經(jīng)接近了物理極限，如果將化合物半導(dǎo)體和硅結(jié)合，可以在保持原有器件和工藝尺寸的基礎(chǔ)上繼續(xù)推進(jìn)微電子器件性能。

半導(dǎo)體異質(zhì)集成技術(shù)就是將不同工藝節(jié)點(diǎn)的化合物半導(dǎo)體高性能器件或芯片與硅基低成本高集成器件芯片，通過異質(zhì)鍵合成或外延生長(zhǎng)等方式集成。這種化合物半導(dǎo)體異質(zhì)集成技術(shù)類似于雜交水稻，可以將不同功能的材料組合在一起，取長(zhǎng)補(bǔ)短、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，異質(zhì)材料界面產(chǎn)生更優(yōu)異的電、光、聲、熱物理特性，可以實(shí)現(xiàn)更高功率、更高頻率、更高速率的光子與電子器件。

自上世紀(jì)50年代第一個(gè)晶體管出現(xiàn)后，研究人員就開始研究硅以外的化合物半導(dǎo)體。到上世紀(jì)90年代，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)界因?yàn)榛衔锇雽?dǎo)體的優(yōu)勢(shì)開始關(guān)注這類新材料，探索將化合物半導(dǎo)體集成在硅上，開始發(fā)展化合物半導(dǎo)體異質(zhì)集成技術(shù)。

過去，主流的化合物半導(dǎo)體異質(zhì)集成工藝是異質(zhì)外延生長(zhǎng)，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）、分子束外延（MBE）等方法在一種襯底上生長(zhǎng)另一種具有相似晶格結(jié)構(gòu)的材料。異質(zhì)外延生長(zhǎng)要求兩種材料之間的晶格相互匹配，就像造房子一樣把磚頭一塊塊對(duì)齊，否則易產(chǎn)生缺陷。因此異質(zhì)外延生長(zhǎng)只有在特定的襯底上長(zhǎng)出特定的材料，難以實(shí)現(xiàn)不同晶格材料的異質(zhì)集成。

游天桂團(tuán)隊(duì)利用了一種更為靈活的異質(zhì)集成材料制備方法。他們將國外1995年發(fā)明的離子束剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)推廣到化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域，將其變成一種制備化合物半導(dǎo)體異質(zhì)集成材料的通用技術(shù)。游天桂介紹，利用離子束剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)，就相當(dāng)于直接從一個(gè)完美的化合物半導(dǎo)體單晶晶圓上切下一層，接著像手機(jī)貼膜一樣貼到硅襯底上，只要表面足夠平整，就可以實(shí)現(xiàn)任意材料的組合。

異質(zhì)集成技術(shù)能否成為半導(dǎo)體換道超車的新機(jī)遇？游天桂表示，這是團(tuán)隊(duì)最希望做到的事情。如果能夠成熟應(yīng)用于集成電路領(lǐng)域，就不再需要追求極致的芯片工藝節(jié)點(diǎn)，也可以避開光刻機(jī)、刻蝕機(jī)等先進(jìn)制程裝備，可從材料創(chuàng)新角度提升器件性能。

“接棒”研發(fā)XOI異質(zhì)集成材料

中科院上海微系統(tǒng)所歷來主攻方向之一是高端硅基材料及應(yīng)用，上世紀(jì)80年代中期開展了絕緣體上硅（SOI）材料的研究。進(jìn)入新世紀(jì)，SOI材料實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。SOI類似三明治結(jié)構(gòu)，在頂層硅和底層硅襯底之間引入一層二氧化硅。

2014年后，中科院上海微系統(tǒng)所歐欣研究員在此基礎(chǔ)上研發(fā)XOI異質(zhì)集成材料，這也是一種類似三明治的材料結(jié)構(gòu)，最上層的X代表任意半導(dǎo)體，中間層是二氧化硅，底層是硅襯底。目前基于鈮酸鋰、鉭酸鋰的硅基壓電材料已在上海嘉定實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2016年加入中科院上海微系統(tǒng)所后，游天桂也握住了接力棒。利用離子束剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)，他的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)采用磷化銦、氮化鎵、氧化鎵等化合物半導(dǎo)體的XOI異質(zhì)集成材料。

磷化銦在光通信領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。過去，研究人員也嘗試?yán)秒x子束剝離磷化銦，轉(zhuǎn)移到硅襯底上，但需要特別高的注入劑量和特定注入溫度窗口，并不適合產(chǎn)業(yè)化。游天桂團(tuán)隊(duì)開發(fā)了氦氫離子共注技術(shù)，更高效地剝離磷化銦薄膜，并研制了4英寸硅基磷化銦異質(zhì)集成晶圓。

“最近我們?cè)诠杌谆熒仙L(zhǎng)了激光器，也就是用Ⅲ-Ⅴ族材料做發(fā)光的激光器，把光學(xué)器件跟硅基襯底集成。對(duì)比異質(zhì)外延生長(zhǎng)和離子束剝離與轉(zhuǎn)移兩種技術(shù)方法，我們發(fā)現(xiàn)利用后者制備的器件，閾值電流密度、工作溫度目前都達(dá)到了國際最高水平。”游天桂說，他們用一個(gè)更小的電流就可以讓器件發(fā)光，器件也可以耐受更高的溫度。

除了高質(zhì)量硅基磷化銦異質(zhì)集成，他們也在研究高導(dǎo)熱氧化鎵異質(zhì)集成晶圓。氧化鎵被認(rèn)為是繼氮化鎵、碳化硅后最有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，在功率器件領(lǐng)域具有應(yīng)用前景，但其致命缺陷是熱導(dǎo)率低、散熱能力差，影響器件壽命。2018年起，游天桂團(tuán)隊(duì)探索把氧化鎵與具有高熱導(dǎo)率的襯底集成，從而幫助其散熱，他們用離子束剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)氧化鎵單晶薄膜與高導(dǎo)熱襯底（Si或SiC）的異質(zhì)集成，氧化鎵功率器件的散熱能力提升4倍，解決了氧化鎵器件的散熱瓶頸。

游天桂團(tuán)隊(duì)也在探索解決高導(dǎo)熱氧化鎵異質(zhì)集成晶圓的工藝難題。用離子束剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)將兩種材料“貼”在一起，由于材料熱膨脹系數(shù)不同，溫度升高，材料膨脹，產(chǎn)生應(yīng)力，材料間相互拉扯易破壞異質(zhì)集成材料。為此，材料間必須緊密貼合。不同于過去采用日本的鍵合技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)自主可控，游天桂團(tuán)隊(duì)開發(fā)了熱鍵合技術(shù)，既減小應(yīng)力，也無需在真空環(huán)境中操作，更適合量產(chǎn)。

科研不宜追熱點(diǎn)

游天桂闖入科研世界，始于大學(xué)二年級(jí)的暑假。那時(shí)候利用暑假和課余時(shí)間，他泡在實(shí)驗(yàn)室研究新型半導(dǎo)體材料，大三時(shí)獲得了國家大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目，這為他打開了科研的大門。2012年10月，游天桂獲得國家留學(xué)基金委的資助，前往德國開姆尼茨工業(yè)大學(xué)攻讀博士。第二年剛過完元旦，大部分德國人還在休假，他的德國導(dǎo)師回到實(shí)驗(yàn)室上班。實(shí)驗(yàn)室里，只有游天桂和導(dǎo)師兩人，他只能用英語磕磕絆絆和導(dǎo)師交流。

“剛到兩個(gè)多月，也算是運(yùn)氣好，在一個(gè)器件上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的特性。”圍繞這個(gè)話題，游天桂和導(dǎo)師討論了一整天，在A4紙上不停寫。那一年，基于這個(gè)發(fā)現(xiàn)，游天桂在《先進(jìn)功能材料》等期刊上連續(xù)發(fā)表論文。“從那以后，我就覺得我適合做科研，科研讓我產(chǎn)生滿足感和信心。”

2016年，磷化銦、氮化鎵等化合物半導(dǎo)體在國際學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界大熱。游天桂也認(rèn)為，化合物半導(dǎo)體具有發(fā)展前景。2016年回國后他開啟了化合物半導(dǎo)體異質(zhì)集成技術(shù)研究。“那時(shí)候還沒有太多人關(guān)注異質(zhì)集成這個(gè)方向，我們一直花了很大精力把離子束剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)推廣到化合物半導(dǎo)體。”

剛開始摸著石頭過河，研究物理本質(zhì)，看到其他團(tuán)隊(duì)的研究報(bào)道，盡管采用了同樣的工藝條件，但自己卻做不出同樣的結(jié)果。“剛開始我們不知道要注入多少離子才能把化合物半導(dǎo)體剝開，就需要反復(fù)做實(shí)驗(yàn)，周期很長(zhǎng)。”慢慢積累了經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在拿到一個(gè)新材料，就能大致判斷出需要注入多少離子，再進(jìn)行優(yōu)化，快速走通工藝。

“科研需要堅(jiān)持，不要追熱點(diǎn)。這幾年新出來的材料很熱，很多人一窩蜂涌上去，過幾年這種材料可能沒那么熱了，或許就要換一個(gè)研究方向。”游天桂更認(rèn)同一輩子做一件事，研究透徹，成為領(lǐng)域頂尖。“不管是高潮還是低谷，堅(jiān)守一方小的陣地，總有一天會(huì)開花。”

目前，游天桂團(tuán)隊(duì)正基于異質(zhì)集成材料開發(fā)器件工藝。“過去的器件工藝都是基于單純的磷化銦或單純的氮化鎵，現(xiàn)在有了硅基磷化銦和硅基氮化鎵，器件工藝跟過去是不一樣的。”“中科院的研究所強(qiáng)調(diào)主責(zé)主業(yè)，解決國家的需求和痛點(diǎn)。”他希望自己的研究真正有用，未來可應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ钪校热缡謾C(jī)的射頻器件。就像過去的硅基壓電材料一樣，他期望硅基磷化銦、硅基氮化鎵、高導(dǎo)熱氧化鎵也能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。