一、一起來(lái)學(xué)習(xí)下異質(zhì)集成

什麼是異質(zhì)集成呢？顧名思義，就是把不同的物質(zhì)集成到一起的技術(shù)。比較權(quán)威的官方解讀，可以參考IEEE Electronic Package Society公布的Heterogeneous Integration Roadmap對(duì)異質(zhì)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?yàn)槭浅鲎訧EEE Electronic Package Society，所以上述異質(zhì)集成更多從封裝集成的角度來(lái)定義，即將單獨(dú)制造組件集成為更高級(jí)別的組裝體(SiP)。
 

而在諸多文獻(xiàn)報(bào)道中，異質(zhì)集成并不限于封裝領(lǐng)域，延伸到了器件甚至材料生長(zhǎng)的范疇。如Jose Millan通過(guò)制作p型SiC層和SiC MOSFET，實(shí)現(xiàn)溫度傳感器和功率半導(dǎo)體在器件層面的異質(zhì)集成（IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 29, NO. 9, SEPTEMBER 2014）。而雷聲公司等報(bào)道先由嵌入III-V族化合物組成模板層，而后在模版上分區(qū)外延生長(zhǎng)高質(zhì)量的III-V族器件和標(biāo)準(zhǔn)硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)，從而實(shí)現(xiàn)在材料層面的III-V族器件和硅基CMOS的異質(zhì)集成。以上兩者一般都稱為單芯片異質(zhì)集成，類似于片上系統(tǒng)（SoC）的概念。
 

晶圓級(jí)外延層轉(zhuǎn)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(zhǎng)InP基雙異質(zhì)結(jié)晶體管（DHBT）外延層，隨后通過(guò)載片將刻蝕去掉襯底后的DHBT外延層轉(zhuǎn)移鍵合到已制作好的Si CMOS襯底上。
 

此外，狹義的異質(zhì)集成，是將不同功能的芯片通過(guò)封裝和半導(dǎo)體制造工藝限制集成在硅晶圓上，目的是將成熟硅技術(shù)應(yīng)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(lǐng)域。而廣義的異質(zhì)集成則是將任何不同功能的組件集成，實(shí)現(xiàn)性能的提升和功能的擴(kuò)展。

圖1 芯片和晶圓級(jí)異質(zhì)集成

綜上來(lái)看，異質(zhì)集成的定義我覺(jué)得需要注意三點(diǎn)：
 

首先，異質(zhì)集成是指兩個(gè)或多個(gè)具有獨(dú)立功能組件的集成。比如異質(zhì)集成系統(tǒng)的p型SiC層和SiC MOSFET，GaN基HEMT和Micro-LEDs都具有獨(dú)立的功能。但如果其中一部分不具有獨(dú)立功能，則不能說(shuō)是異質(zhì)集成。比如，Ga2O3導(dǎo)熱系數(shù)極低（0.11 W/(m*K)，作為對(duì)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(yīng)用的最大瓶頸。西安電子科大的郝躍院士首次將晶圓級(jí)β-Ga2O3單晶薄膜（< 400 nm）與高導(dǎo)熱的Si和4H-SiC晶圓級(jí)集成，并制備出高性能器件（International Electron Devices Meeting, IEDM，F(xiàn)irst Demonstration of Waferscale Heterogeneous Integration of β-Ga2O3 MOSFETs on SiC and Si Substrates by Ion-Cutting Process）。這是典型異質(zhì)集成，β-Ga2O3晶體管和Si和4H-SiC襯底分別具有獨(dú)立功能，異質(zhì)集成實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)β-Ga2O3薄膜，我覺(jué)得不能稱之為異質(zhì)集成，因?yàn)榇藭r(shí)Si和4H-SiC只是作為β-Ga2O3生長(zhǎng)的襯底，不具有獨(dú)立功能，它們是β-Ga2O3晶體管器件的一部分。
 

其次，異質(zhì)集成有層界限定。因?yàn)槿绻@牛角尖的話，幾乎任何產(chǎn)品都是異質(zhì)集成的產(chǎn)物，比如電腦就是由CPU、內(nèi)存、主板和硬盤(pán)等“異質(zhì)”集成。所以需要異質(zhì)集成進(jìn)行層界限定。默認(rèn)異質(zhì)集成的最高層界限定就是封裝體，即SiP級(jí)封裝，如小芯片微米級(jí)組裝等。往下包括晶圓級(jí)外延層轉(zhuǎn)移的混合異質(zhì)集成和單片異質(zhì)外延生長(zhǎng)的芯片級(jí)異質(zhì)集成。

圖2 SiP異質(zhì)集成

圖3 Raytheon公司GaN HEMT–Si CMOS異質(zhì)集成
 

異質(zhì)集成中“異質(zhì)”同半導(dǎo)體物理和器件中異質(zhì)結(jié)中的“異質(zhì)”還是有所區(qū)別：異質(zhì)結(jié)是針對(duì)不同半導(dǎo)體材料，而異質(zhì)集成是針對(duì)不同功能組件。異質(zhì)集成可以是同一種材料的不同功能器件的集成。
 

第三，異質(zhì)集成和功能復(fù)用有區(qū)別。功能復(fù)用指的是兼容設(shè)計(jì)同一個(gè)器件或組件，使其具有不同的功能。功能復(fù)用為“一材多用”，而異質(zhì)集成更多為“多材一用”。功能復(fù)用并不是異質(zhì)集成。如GaN基LED作為光源器件，可以用于照明、顯示和可見(jiàn)光通信功能。設(shè)計(jì)GaN基LED器件系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多功能復(fù)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(guó)University of Strathclyde的Prof Martin Dawson課題組等。
 

從定義看，異質(zhì)集成的目的主要是實(shí)現(xiàn)性能提升和功能集成拓展。
 

異質(zhì)集成發(fā)展的一個(gè)最主要驅(qū)動(dòng)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(yīng)及能耗問(wèn)題，和對(duì)More than Moore超越摩爾的強(qiáng)烈需求。其中最主要的便是硅基光子學(xué)。光子信息技術(shù)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(dǎo)體材料為間接帶隙，不能制作光源器件，這是其顯著缺點(diǎn)。硅光能結(jié)合成熟Si基CMOS集成電路的強(qiáng)大基礎(chǔ)和光子信息的優(yōu)點(diǎn)，把光和電異質(zhì)集成在一個(gè)芯片上，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光的驅(qū)動(dòng)和探測(cè)，受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛看好。硅基光子學(xué)系統(tǒng)，包括光源、光調(diào)制器、光波導(dǎo)、波分復(fù)用器（WDM）、光電探測(cè)器等分立有源或無(wú)源器件。信息的快速準(zhǔn)確處理需求對(duì)以上各個(gè)分立器件都提出了很高的要求，如在高頻調(diào)制下仍然可以單模工作的動(dòng)態(tài)單模（DSM）激光器光源等。
 

國(guó)內(nèi)的中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)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(shù)上有長(zhǎng)期的積累和較多成果。美國(guó)雷聲公司、惠普公司及比利時(shí)的IMEC微電子研究中心在這方面研究世界領(lǐng)先。IMEC也是全球微電子集成技術(shù)方面高校科研和產(chǎn)業(yè)承轉(zhuǎn)的典范機(jī)構(gòu)。華為是光電集成通信芯片的全球領(lǐng)先企業(yè)，在前段發(fā)布了推出業(yè)界首款800G可調(diào)超高速光模塊，單纖容量達(dá)到48T，這個(gè)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(duì)DAHI（Diverse Accessible Heterogeneous Integration）制造項(xiàng)目進(jìn)行立項(xiàng)支持，每個(gè)公司提供自己最熟悉的產(chǎn)品和技術(shù)，匯集到其中某個(gè)芯片制造廠，實(shí)現(xiàn)異質(zhì)集成。比如硅基化合物半導(dǎo)體材料（COSMOS）項(xiàng)目通過(guò)將InP異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）與亞微米硅基CMOS實(shí)現(xiàn)異質(zhì)集成，諾格公司提供InP技術(shù)、格羅方德半導(dǎo)體公司提供硅基CMOS原料、HRL實(shí)驗(yàn)室提供GaN、Nuvotronics公司提供3D波導(dǎo)架構(gòu)的高Q值無(wú)源濾波器，諾格公司提供集成制造設(shè)計(jì)包，將這些材料和器件匯集到諾格的芯片制造廠進(jìn)行制造。這樣異質(zhì)集成的優(yōu)點(diǎn)時(shí)可以分別對(duì)各器件進(jìn)行優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的效率。
 

在“8K顯示+5G通信”的應(yīng)用前景推動(dòng)下，基于第三代半導(dǎo)體GaN基 Micro-LED（光）和GaN基HEMT（電）原位單芯片光電異質(zhì)集成在近年得到學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。英國(guó)謝菲爾德大學(xué)Tao Wang教授，香港科技大學(xué)Kei May Lau教授，國(guó)內(nèi)中科院半導(dǎo)體所和南方科技大學(xué)等課題組在這方面進(jìn)行了深入探索。GaN LED當(dāng)然也可和Si CMOS等功能單芯片集成。南京郵電大學(xué)和中科院蘇州納米所課題組在GaN基光源、波導(dǎo)和探測(cè)器片上光通信集成做出很多工作。
 

受物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市和醫(yī)療健康等產(chǎn)業(yè)的需求，基于MEMS和傳感器的異質(zhì)集成系統(tǒng)近年在科研和產(chǎn)業(yè)上都備受青睞，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)、溫濕度等各種環(huán)境因素和血糖、心率等各項(xiàng)人體健康指標(biāo)的傳感監(jiān)測(cè)。環(huán)境和人體的多參數(shù)復(fù)雜特性需要集成不同類型的傳感器和數(shù)據(jù)處理器。斯坦福大學(xué)鮑哲南教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的電子皮膚就是一個(gè)復(fù)雜的異質(zhì)集成系統(tǒng)，包括疼痛感受器，冷熱感受器和機(jī)械刺激感受器等傳感器以及讀出矩陣等數(shù)據(jù)的高效采集和傳輸系統(tǒng)等。
 

實(shí)現(xiàn)高效散熱，提高器件性能是異質(zhì)集成的另外一個(gè)主要目的。單獨(dú)一種材料或器件不一定同時(shí)兼具高功能性能、高散熱性能。特別高功率、高溫第三代半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)高效散熱，提高器件性能。2017年英國(guó)金剛石和碳化硅材料計(jì)劃，支持富士通公司在金剛石和碳化硅襯底散熱技術(shù)方面取得進(jìn)展，同時(shí)支持布里斯托爾大學(xué)研發(fā)能滿足未來(lái)高功率射頻和微波通信的下一代GaN技術(shù)，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(jí)的極大功率GaN射頻器件對(duì)散熱要求很高，也需要集成到更高導(dǎo)熱性能的散熱基板上。
 

異質(zhì)集成存在協(xié)同設(shè)計(jì)、關(guān)鍵制造工藝、熱應(yīng)力管理、散熱和可靠性、測(cè)試等方面挑戰(zhàn)。異質(zhì)集成設(shè)計(jì)包括前向設(shè)計(jì)，針對(duì)不同尺度（系統(tǒng)級(jí)、芯片級(jí)、材料級(jí)），不同物理機(jī)理（熱、電、光、力學(xué)），和不同材料體系（金屬、絕緣體、半導(dǎo)體、有機(jī)物）等進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，建立各個(gè)層級(jí)，不同結(jié)構(gòu)材料部分的傳遞影響關(guān)系，對(duì)集成系統(tǒng)的服役性能進(jìn)行全局優(yōu)化。如GaN基LED照明、顯示和通信多功能系統(tǒng)就面臨高效高顯色性、高分辨率高對(duì)比度和高速寬帶寬的性能集成，大功率、高密度和高頻驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)集成等設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。異質(zhì)集成設(shè)計(jì)也可以逆向設(shè)計(jì)，考慮到系統(tǒng)的最低性能需求和理論上最大短板，有的放矢設(shè)計(jì)。前向設(shè)計(jì)，有點(diǎn)像婚戀中男女雙方先看雙方優(yōu)點(diǎn)，而逆向設(shè)計(jì)則是各自亮出可接納底線。
 

異質(zhì)集成系統(tǒng)制造面臨三維/曲面/柔性復(fù)雜結(jié)構(gòu)形態(tài)集成，以及更小尺寸更高集成度（比如傳感MEMS系統(tǒng)）的制造方面挑戰(zhàn)。不同材料由于具有不同的熱膨脹系數(shù)等（Thermal expansion coefficient, TEC），異質(zhì)集成系統(tǒng)面臨熱應(yīng)力循環(huán)加載帶來(lái)的失效風(fēng)險(xiǎn)。一些先進(jìn)散熱技術(shù)，如芯片內(nèi)微流道、芯片間微流道散熱技術(shù)、相變散熱技術(shù)，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(tǒng)的熱可靠性。
 

第三代半導(dǎo)體器件的異質(zhì)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(dǎo)探測(cè)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(zhì)集成是指在一定層界（單芯片級(jí)、多芯片級(jí)或封裝體級(jí)）上，具有獨(dú)立功能的兩個(gè)或多個(gè)組件的集成，目的為實(shí)現(xiàn)功能集成擴(kuò)展或性能提升。異質(zhì)集成和功能復(fù)用有區(qū)別。異質(zhì)集成存在協(xié)同設(shè)計(jì)、關(guān)鍵制造工藝、熱應(yīng)力管理、散熱和可靠性、測(cè)試等挑戰(zhàn)。有效異質(zhì)集成可實(shí)現(xiàn)“1個(gè)蘋(píng)果+1個(gè)蘋(píng)果≥2個(gè)蘋(píng)果”的效果。

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