中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 半導(dǎo)體科技的高水平自立自強，既體現(xiàn)在微電子（集成電路）科技在美西方封鎖局勢下的“自立”問題，又體現(xiàn)在光電子科技如何筑牢長板形成產(chǎn)業(yè)突破的“自強”問題。光電子信息產(chǎn)業(yè)的率先突破可以為微電子（集成電路）產(chǎn)業(yè)提供有力支持、配合和更有利的國際競爭環(huán)境。2022年6月，習(xí)近平總書記在聽取湖北省光電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展及核心技術(shù)攻關(guān)情況介紹時指出，光電子信息產(chǎn)業(yè)是應(yīng)用廣泛的戰(zhàn)略高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，也是我國有條件率先實現(xiàn)突破的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

光電子信息產(chǎn)業(yè)的率先突破離不開高效率的半導(dǎo)體光電材料。2023年7月3日，我國商務(wù)部、海關(guān)總署發(fā)布2023年第23號公告《關(guān)于對鎵、鍺相關(guān)物項實施出口管制的公告》：依據(jù)《中華人民共和國出口管制法》《中華人民共和國對外貿(mào)易法》《中華人民共和國海關(guān)法》有關(guān)規(guī)定，為維護(hù)國家安全和利益，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，決定對鎵、鍺相關(guān)物項實施出口管制，公告自2023年8月1日起正式實施。其中，鎵相關(guān)物項包含金屬鎵、氮化鎵、氧化鎵、磷化鎵、砷化鎵等8項。除鎵屬于金屬，其他7項均為含鎵元素的化合物半導(dǎo)體材料，可統(tǒng)稱為“鎵體系”半導(dǎo)體，其主要特點是高光電轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)異的電子輸運性能，且能覆蓋從紫外、可見光、紅外、太赫茲一直到毫米波、微波的常用電磁波譜，是光電子信息產(chǎn)業(yè)中光電感知、傳輸?shù)幕?/p>

對金屬鎵和“鎵體系”半導(dǎo)體材料實施管控舉措，展現(xiàn)出我國在該領(lǐng)域已具備一定的資源優(yōu)勢和材料優(yōu)勢，但更具戰(zhàn)略意義的工作是如何搶占“鎵體系”半導(dǎo)體科技的制高點，進(jìn)一步筑強我國光電子芯片的長板，進(jìn)而增強我國光電子信息產(chǎn)業(yè)的國際競爭力。

發(fā)展“鎵體系”半導(dǎo)體科技對搶占新一代半導(dǎo)體科技制高點具有重要戰(zhàn)略意義

“鎵體系”半導(dǎo)體科學(xué)內(nèi)涵豐富，對筑強光電子芯片長板起著關(guān)鍵基礎(chǔ)作用。傳統(tǒng)概念上的“鎵體系”半導(dǎo)體材料與器件，基本都是在系統(tǒng)中獨立封裝、各司其職的分立元器件，包括在很多領(lǐng)域起到關(guān)鍵作用的器件，如半導(dǎo)體激光器、探測器、功率放大器、低噪聲放大器、發(fā)光二極管等。廣義的“鎵體系”半導(dǎo)體概念更強調(diào)“體系”甚至是“生態(tài)”，強調(diào)“異質(zhì)”集成理念及相關(guān)技術(shù)，也可以融合先進(jìn)的集成電路芯片和制造技術(shù)。

發(fā)展“鎵體系”半導(dǎo)體科技對我國搶占新一代半導(dǎo)體科技制高點具有重要戰(zhàn)略意義。當(dāng)前，基于硅體系的集成電路芯片發(fā)展最為成熟，已經(jīng)形成了完整的體系生態(tài)。但硅體系是美西方掌握話語權(quán)的體系生態(tài)，我國使用先進(jìn)的裝備、制造技術(shù)、電子設(shè)計自動化（EDA）工具都會受到嚴(yán)格限制。要逐步扭轉(zhuǎn)我國在集成電路芯片領(lǐng)域被動的局面，一方面要有底線意識，在集成電路賽道緊追不舍，并前瞻性地加強集成電路基礎(chǔ)能力建設(shè)，逐步點亮集成電路科技自立自強的“燈塔”；另一方面要有長板思維，找準(zhǔn)具有優(yōu)勢基礎(chǔ)的領(lǐng)域布局新賽道，以搶占新一代半導(dǎo)體競爭的科技制高點。大力發(fā)展“鎵體系”半導(dǎo)體科技，并形成“體系”和“生態(tài)”，將有助于我國確立在新賽道上的領(lǐng)先優(yōu)勢。

我國“鎵體系”半導(dǎo)體科技已有自主可控能力，具備搶占科技制高點的物質(zhì)基礎(chǔ)。長期以來，對于硅體系領(lǐng)跑者的美西方對發(fā)展“鎵體系”半導(dǎo)體科技意愿不強、動力不足，我國的“鎵體系”半導(dǎo)體科技追得比較緊，同美西方的差距相對較小。僅以中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所為例，從早期的砷化鎵激光器、氮化鎵激光器，到近期的高性能銻化鎵紅外探測器和激光器，以及氮化鎵藍(lán)光發(fā)光二極管，其科技工作的深度和水平同國際一流研發(fā)機構(gòu)相比也基本能處于“并跑”行列。特別值得一提的是，我國還構(gòu)建了卓有成效的攻關(guān)關(guān)鍵核心技術(shù)的新型舉國體制。另外，“鎵體系”半導(dǎo)體科技的特點是不依賴最先進(jìn)的制造技術(shù)也能制造出高性能的器件，不存在集成電路領(lǐng)域被先進(jìn)光刻機“卡脖子”的問題。

“鎵體系”半導(dǎo)體技術(shù)的重大需求與發(fā)展態(tài)勢分析

“鎵體系”半導(dǎo)體支持在廣域電磁波譜段范圍內(nèi)實現(xiàn)感知、計算、傳輸三者智能融合的終端芯片。從傳統(tǒng)的感知、計算分離進(jìn)化到終端感知、計算、傳輸智能融合，是解決云端計算大數(shù)據(jù)量延遲、抗網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險能力弱的有效方案。現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）、人工智能硬件加速器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理等，必須與負(fù)責(zé)態(tài)勢感知和數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹版夡w系”半導(dǎo)體芯片集成到單個封裝中，并由高效的電源管理芯片提供支持，以提高智能終端系統(tǒng)的自主性、多任務(wù)靈活性，以及減小尺寸、重量和功耗（SWAP）。與相對成熟的分立器件只重視單獨優(yōu)化材料和元件性能的傳統(tǒng)設(shè)計理念不同，“鎵體系”半導(dǎo)體更注重系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化理念和可重新配置的平臺思維方式。

“鎵體系”半導(dǎo)體支持高速光子收發(fā)器件，有望徹底解決云端大算力芯片的海量數(shù)據(jù)大帶寬傳輸瓶頸問題。云計算中心目前面臨著越來越嚴(yán)重的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，而這個問題有望通過共封裝光學(xué)（CPO）技術(shù)來解決。CPO將高速半導(dǎo)體激光器、高速光學(xué)接口元件緊密地結(jié)合成為一體化的高性能光子收發(fā)器件，并與大算力芯片異質(zhì)異構(gòu)集成封裝，為大算力芯片需要的海量數(shù)據(jù)提供高效的長距離和大帶寬數(shù)據(jù)傳輸。與傳統(tǒng)電路板上的銅電線相比，“鎵體系”半導(dǎo)體技術(shù)可提供顯著提高的數(shù)據(jù)傳輸速率和極低的數(shù)據(jù)功耗——現(xiàn)有結(jié)果已經(jīng)展示在單個小芯片產(chǎn)生了T比特每秒量級的數(shù)據(jù)吞吐量，且能耗僅為5皮焦每比特。

“鎵體系”半導(dǎo)體的終極形態(tài)將是多種材料原子級堆疊構(gòu)建的多異質(zhì)結(jié)量子結(jié)構(gòu)，并可制備出顛覆性的光-電-智能共融芯片。目前，一些正在快速發(fā)展的材料生長新技術(shù)有望實現(xiàn)多種高品質(zhì)“鎵體系”半導(dǎo)體材料納米尺度下的異質(zhì)堆疊，實現(xiàn)在單個器件中集成所希望的多種材料特性，以突破傳統(tǒng)單一材料的設(shè)計權(quán)衡。這將提供具有顛覆性優(yōu)勢的新材料特性，電子、光電子、量子、磁性等器件都將從這場“變革”中受益。例如，現(xiàn)在已有堆疊了多層氮化鎵溝道的材料報道，這足以支撐帶有側(cè)柵極的3D多通道結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管，以實現(xiàn)極低的導(dǎo)通電阻。

發(fā)展我國“鎵體系”半導(dǎo)體科技的建議

長期以來，我國半導(dǎo)體科研和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，始終在不同程度上存在著頂層規(guī)劃落實不到位、基礎(chǔ)研究和專利布局滯后、核心裝備和制造技術(shù)受制于人、科研和產(chǎn)業(yè)脫節(jié)等“老大難”問題。通過深刻領(lǐng)會習(xí)近平總書記提出的“強化基礎(chǔ)研究前瞻性、戰(zhàn)略性、系統(tǒng)性布局”重要指示精神，對發(fā)展我國“鎵體系”半導(dǎo)體科技提出4條建議。

充分發(fā)揮國家科研機構(gòu)建制化組織作用，聯(lián)合國內(nèi)有基礎(chǔ)的研究型大學(xué)和科技領(lǐng)軍企業(yè)對“鎵體系”半導(dǎo)體科技開展頂層設(shè)計、統(tǒng)籌規(guī)劃、合力攻關(guān)。組織從物理原理、材料、器件、裝備、產(chǎn)品到工程應(yīng)用的全鏈條、最具實力的“鎵體系”半導(dǎo)體科技力量，扎實凝練關(guān)鍵科學(xué)問題和科研目標(biāo)，構(gòu)筑“鎵體系”半導(dǎo)體科技的科研新范式。這個范式創(chuàng)新是美西方目前還沒有明確提出的；因此，要下好“先手棋”，盡快開展頂層規(guī)劃，穩(wěn)步推進(jìn)，有序?qū)嵤囊?guī)劃層面確保科研機構(gòu)在攻關(guān)過程中能夠改變傳統(tǒng)的“散裝”課題意識，科技企業(yè)能夠轉(zhuǎn)變以往的“頭痛醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”的短期意識。要對標(biāo)對表習(xí)近平總書記“光電子信息產(chǎn)業(yè)是應(yīng)用廣泛的戰(zhàn)略高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，也是我國有條件率先實現(xiàn)突破的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)”目標(biāo)要求，發(fā)揮新型舉國體制的優(yōu)勢，強化“鎵體系”半導(dǎo)體科技的協(xié)同攻關(guān)，增強核心競爭力，搶占科技制高點；迅速形成我國“鎵體系”半導(dǎo)體的科研、產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，以增強我們同美西方的競爭能力、談判籌碼。

高度重視基礎(chǔ)研究，從“鎵體系”半導(dǎo)體量子物理和EDA工具的源頭做起，并超前做好專利布局。“鎵體系”半導(dǎo)體作為較新的材料體系，研究相對不充分、不完全，許多材料性能的假設(shè)尚未通過理論或?qū)嶒灆z驗，也沒有得到充分評估或證明。通過理論仿真、預(yù)測和基準(zhǔn)測試了解材料系統(tǒng)的基本特性，對于決定如何進(jìn)一步發(fā)展器件制造至關(guān)重要。自主可控的EDA工具在理論研究和實驗檢驗的基礎(chǔ)上發(fā)展并完善，有助于實現(xiàn)原子級到電路級的仿真，可以顯著縮短芯片研發(fā)的周期和成本，并為超前布局專利體系贏得時間。

高度重視基于自研裝備的科研平臺能力建設(shè)，將基礎(chǔ)研究固化在自主可控的核心裝備上，從根本上擺脫受制于人。由于先進(jìn)裝備受限，采用落后的工藝在短期內(nèi)是我國半導(dǎo)體界唯一的選擇。大力發(fā)展“鎵體系”半導(dǎo)體制造技術(shù)，是推動自主可控的半導(dǎo)體裝備國產(chǎn)化驗證的有效推手，特別是驗證國產(chǎn)光刻機及光刻膠等相關(guān)耗材的有力途徑。目前，國產(chǎn)裝備要想導(dǎo)入成熟的硅集成電路產(chǎn)線進(jìn)行驗證面臨很大阻力。“鎵體系”半導(dǎo)體目前對裝備的線寬和可靠性要求不像硅體系那么嚴(yán)苛，可以和國產(chǎn)裝備天然形成共同成長的伙伴關(guān)系。

打通科研平臺和生產(chǎn)企業(yè)之間的壁壘，發(fā)揮好光電子信息產(chǎn)業(yè)的科技領(lǐng)軍企業(yè)的“出題人”“答題人”和“閱卷人”作用。“鎵體系”半導(dǎo)體應(yīng)向先進(jìn)的硅制造工藝學(xué)習(xí)，導(dǎo)入生產(chǎn)企業(yè)樂于接受的大尺寸、低成本硅襯底平臺，以及大尺寸小線寬光刻、化學(xué)機械拋光、平面化多級銅互連等先進(jìn)工藝模塊。這樣做有助于打通科研平臺與生產(chǎn)企業(yè)之間的壁壘，有利于實現(xiàn)高產(chǎn)量、高性能和低成本生產(chǎn)。科研平臺應(yīng)以多項目晶圓（MPW）的方式，向國內(nèi)的設(shè)計企業(yè)積極開放平臺代工資源，但前提是對創(chuàng)新設(shè)計的知識產(chǎn)權(quán)（IP）享有共同的權(quán)利。科研平臺和科技企業(yè)之間緊密合作，以實現(xiàn)“鎵體系”半導(dǎo)體技術(shù)從設(shè)計到制造、測試、應(yīng)用等全鏈條的快速迭代推進(jìn)。

（作者：張韻，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 中國科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院。《中國科學(xué)院院刊》供稿）