一、一起來學習下異質集成

什麼是異質集成呢？顧名思義，就是把不同的物質集成到一起的技術。比較權威的官方解讀，可以參考IEEE Electronic Package Society公布的Heterogeneous Integration Roadmap對異質集成的定義：“Heterogeneous Integration refers to the integration of separately manufactured components into a higher-level assembly (System in Package–SiP) that, in the aggregate, provides enhanced functionality and improved operating characteristics.”但因為是出自IEEE Electronic Package Society，所以上述異質集成更多從封裝集成的角度來定義，即將單獨制造組件集成為更高級別的組裝體(SiP)。
 

而在諸多文獻報道中，異質集成并不限于封裝領域，延伸到了器件甚至材料生長的范疇。如Jose Millan通過制作p型SiC層和SiC MOSFET，實現溫度傳感器和功率半導體在器件層面的異質集成（IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 29, NO. 9, SEPTEMBER 2014）。而雷聲公司等報道先由嵌入III-V族化合物組成模板層，而后在模版上分區外延生長高質量的III-V族器件和標準硅基互補金屬氧化物半導體(CMOS)，從而實現在材料層面的III-V族器件和硅基CMOS的異質集成。以上兩者一般都稱為單芯片異質集成，類似于片上系統（SoC）的概念。
 

晶圓級外延層轉移則介于上述SiP和SoC之間：如IHRL公司在InP襯底晶圓上先外延生長InP基雙異質結晶體管（DHBT）外延層，隨后通過載片將刻蝕去掉襯底后的DHBT外延層轉移鍵合到已制作好的Si CMOS襯底上。
 

此外，狹義的異質集成，是將不同功能的芯片通過封裝和半導體制造工藝限制集成在硅晶圓上，目的是將成熟硅技術應用到集成光子、集成功率器件、集成MEMS和傳感器等各種不同領域。而廣義的異質集成則是將任何不同功能的組件集成，實現性能的提升和功能的擴展。

圖1 芯片和晶圓級異質集成

綜上來看，異質集成的定義我覺得需要注意三點：
 

首先，異質集成是指兩個或多個具有獨立功能組件的集成。比如異質集成系統的p型SiC層和SiC MOSFET，GaN基HEMT和Micro-LEDs都具有獨立的功能。但如果其中一部分不具有獨立功能，則不能說是異質集成。比如，Ga2O3導熱系數極低（0.11 W/(m*K)，作為對比，金剛石為1300-2400，SiC為 490, GaN 為3.3, Si為150），散熱能力成為氧化鎵功率器件應用的最大瓶頸。西安電子科大的郝躍院士首次將晶圓級β-Ga2O3單晶薄膜（< 400 nm）與高導熱的Si和4H-SiC晶圓級集成，并制備出高性能器件（International Electron Devices Meeting, IEDM，First Demonstration of Waferscale Heterogeneous Integration of β-Ga2O3 MOSFETs on SiC and Si Substrates by Ion-Cutting Process）。這是典型異質集成，β-Ga2O3晶體管和Si和4H-SiC襯底分別具有獨立功能，異質集成實現β-Ga2O3晶體管散熱性能，從而器件性能的提升。但是如果是在Si和4H-SiC襯底上生長β-Ga2O3薄膜，我覺得不能稱之為異質集成，因為此時Si和4H-SiC只是作為β-Ga2O3生長的襯底，不具有獨立功能，它們是β-Ga2O3晶體管器件的一部分。
 

其次，異質集成有層界限定。因為如果鉆牛角尖的話，幾乎任何產品都是異質集成的產物，比如電腦就是由CPU、內存、主板和硬盤等“異質”集成。所以需要異質集成進行層界限定。默認異質集成的最高層界限定就是封裝體，即SiP級封裝，如小芯片微米級組裝等。往下包括晶圓級外延層轉移的混合異質集成和單片異質外延生長的芯片級異質集成。

圖2 SiP異質集成

圖3 Raytheon公司GaN HEMT–Si CMOS異質集成
 

異質集成中“異質”同半導體物理和器件中異質結中的“異質”還是有所區別：異質結是針對不同半導體材料，而異質集成是針對不同功能組件。異質集成可以是同一種材料的不同功能器件的集成。
 

第三，異質集成和功能復用有區別。功能復用指的是兼容設計同一個器件或組件，使其具有不同的功能。功能復用為“一材多用”，而異質集成更多為“多材一用”。功能復用并不是異質集成。如GaN基LED作為光源器件，可以用于照明、顯示和可見光通信功能。設計GaN基LED器件系統可實現多功能復用，如顯示通信、照明通信、顯示照明甚至顯示照明通信，代表課題組有英國University of Strathclyde的Prof Martin Dawson課題組等。
 

從定義看，異質集成的目的主要是實現性能提升和功能集成拓展。
 

異質集成發展的一個最主要驅動力就是Moore’s Law下Si CMOS晶體管不斷縮小至近極限值造成集成電路的互連延遲效應及能耗問題，和對More than Moore超越摩爾的強烈需求。其中最主要的便是硅基光子學。光子信息技術理論上具有更大的帶寬、更高的速率和更小的功耗。但硅半導體材料為間接帶隙，不能制作光源器件，這是其顯著缺點。硅光能結合成熟Si基CMOS集成電路的強大基礎和光子信息的優點，把光和電異質集成在一個芯片上，用來實現對光的驅動和探測，受到學術界和產業界的廣泛看好。硅基光子學系統，包括光源、光調制器、光波導、波分復用器（WDM）、光電探測器等分立有源或無源器件。信息的快速準確處理需求對以上各個分立器件都提出了很高的要求，如在高頻調制下仍然可以單模工作的動態單模（DSM）激光器光源等。
 

國內的中國科學院半導體所王啟明院士、王圩院士、余金中研究員、黃永箴研究員、祝寧華研究員等研究組在InP基、硅基襯底上光子集成和封裝技術上有長期的積累和較多成果。美國雷聲公司、惠普公司及比利時的IMEC微電子研究中心在這方面研究世界領先。IMEC也是全球微電子集成技術方面高校科研和產業承轉的典范機構。華為是光電集成通信芯片的全球領先企業，在前段發布了推出業界首款800G可調超高速光模塊，單纖容量達到48T，這個傳輸容量意味著完成100部全4K版本電影的下載，僅需要1秒鐘。
 

DARPA 對DAHI（Diverse Accessible Heterogeneous Integration）制造項目進行立項支持，每個公司提供自己最熟悉的產品和技術，匯集到其中某個芯片制造廠，實現異質集成。比如硅基化合物半導體材料（COSMOS）項目通過將InP異質結雙極晶體管（HBT）與亞微米硅基CMOS實現異質集成，諾格公司提供InP技術、格羅方德半導體公司提供硅基CMOS原料、HRL實驗室提供GaN、Nuvotronics公司提供3D波導架構的高Q值無源濾波器，諾格公司提供集成制造設計包，將這些材料和器件匯集到諾格的芯片制造廠進行制造。這樣異質集成的優點時可以分別對各器件進行優化，提高設計開發的效率。
 

在“8K顯示+5G通信”的應用前景推動下，基于第三代半導體GaN基 Micro-LED（光）和GaN基HEMT（電）原位單芯片光電異質集成在近年得到學術和產業界的關注。英國謝菲爾德大學Tao Wang教授，香港科技大學Kei May Lau教授，國內中科院半導體所和南方科技大學等課題組在這方面進行了深入探索。GaN LED當然也可和Si CMOS等功能單芯片集成。南京郵電大學和中科院蘇州納米所課題組在GaN基光源、波導和探測器片上光通信集成做出很多工作。
 

受物聯網、智慧城市和醫療健康等產業的需求，基于MEMS和傳感器的異質集成系統近年在科研和產業上都備受青睞，實現對振動、溫濕度等各種環境因素和血糖、心率等各項人體健康指標的傳感監測。環境和人體的多參數復雜特性需要集成不同類型的傳感器和數據處理器。斯坦福大學鮑哲南教授團隊研發的電子皮膚就是一個復雜的異質集成系統，包括疼痛感受器，冷熱感受器和機械刺激感受器等傳感器以及讀出矩陣等數據的高效采集和傳輸系統等。
 

實現高效散熱，提高器件性能是異質集成的另外一個主要目的。單獨一種材料或器件不一定同時兼具高功能性能、高散熱性能。特別高功率、高溫第三代半導體器件尤其需要高效散熱。如前述西安電子科大的郝躍院士將β-Ga2O3器件與Si和4H-SiC集成，實現高效散熱，提高器件性能。2017年英國金剛石和碳化硅材料計劃，支持富士通公司在金剛石和碳化硅襯底散熱技術方面取得進展，同時支持布里斯托爾大學研發能滿足未來高功率射頻和微波通信的下一代GaN技術，金剛石基氮化鎵（GaN）微波器件，金剛石的主要功就是散熱。在“新基建”5G通信中扮演重要角色的GaN射頻器件，特別是用于宏基站的100W-300W級的極大功率GaN射頻器件對散熱要求很高，也需要集成到更高導熱性能的散熱基板上。
 

異質集成存在協同設計、關鍵制造工藝、熱應力管理、散熱和可靠性、測試等方面挑戰。異質集成設計包括前向設計，針對不同尺度（系統級、芯片級、材料級），不同物理機理（熱、電、光、力學），和不同材料體系（金屬、絕緣體、半導體、有機物）等進行協同設計，建立各個層級，不同結構材料部分的傳遞影響關系，對集成系統的服役性能進行全局優化。如GaN基LED照明、顯示和通信多功能系統就面臨高效高顯色性、高分辨率高對比度和高速寬帶寬的性能集成，大功率、高密度和高頻驅動的結構集成等設計挑戰。異質集成設計也可以逆向設計，考慮到系統的最低性能需求和理論上最大短板，有的放矢設計。前向設計，有點像婚戀中男女雙方先看雙方優點，而逆向設計則是各自亮出可接納底線。
 

異質集成系統制造面臨三維/曲面/柔性復雜結構形態集成，以及更小尺寸更高集成度（比如傳感MEMS系統）的制造方面挑戰。不同材料由于具有不同的熱膨脹系數等（Thermal expansion coefficient, TEC），異質集成系統面臨熱應力循環加載帶來的失效風險。一些先進散熱技術，如芯片內微流道、芯片間微流道散熱技術、相變散熱技術，以及更高熱性能的熱界面材料和散熱材料在廣泛研究，以提高系統的熱可靠性。
 

第三代半導體器件的異質集成研究主要有：GaN基LED/LD等同Si基CMOS/GaN HEMT集成；GaN 基光源光波導探測器片上光通信集成和柔性集成；GaN MEMS和傳感器集成；SiC MOSFET和傳感器集成；極大功率GaN射頻器件和β-Ga2O3電子器件同散熱襯底集成等。
 

異質集成是指在一定層界（單芯片級、多芯片級或封裝體級）上，具有獨立功能的兩個或多個組件的集成，目的為實現功能集成擴展或性能提升。異質集成和功能復用有區別。異質集成存在協同設計、關鍵制造工藝、熱應力管理、散熱和可靠性、測試等挑戰。有效異質集成可實現“1個蘋果+1個蘋果≥2個蘋果”的效果。

更多關于異質集成可參考IEEE Electronic Package Society公布的Heterogeneous Integration Roadmap，以及相關文獻資料（Kazior, T. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 372(2012), 20130105-20130105. (2014)等）。