砥礪前行，推進半導體產業的“芯”潮

1   心“芯”相印的微電子教育情愫

集成電路(IC) 產業對國民經濟和國家安全保障具有先導性，其水準成為衡量綜合國力的重要標志，由于其知識和技術密集型特點，對人才的依賴度尤為突出。深圳作為中國IC 產業核心區，長期以來仍受專業人才缺乏的困擾，面臨自主國產化芯片浪潮，微電子教育體系創新迫在眉睫。2019 年1 月南方科技大學深港微電子學院成立，并被教育部列入國家示范性微電子學院建設單位，正是大勢所趨，必然會對中國IC 產業格局起到深遠的影響，對此本人專程前往深圳同于洪宇院長進行交流。

于院長談及作為一個國家示范性微電子學院，南方科技大學深港微電子學院重點構建和完善人才培養和科研體系；以微納工藝研發和IC 設計與測試為支撐兩大平臺；聚焦新型通信芯片、人工智能芯片和生物芯片三大領域；著力打造真正符合市場需求且具有國際競爭力四個研究中心，分別為IC 設計方法與EDA 研究中心、高性能IC 與片上系統集成研發中心、寬禁帶半導體研究中心和微系統與芯片應用研究中心。

中國半導體產業應對國際發展潮流，唯有迎頭趕上才能掌握先機。南科大第三代半導體器件重點實驗室研究方向包括：多尺度多物理場仿真設計、寬禁帶芯片、惡劣環境下新型傳感器、SiP 先進封裝、大功率芯片封裝、封裝用先進材料研究等。

在“5G 中國芯”如火如荼之際，深港微電子學院掛牌“國家5G 中高頻器件制造業創新中心”，又率先獲批 “未來通信集成電路教育部工程研究中心”。

化合物半導體是未來IC 產業發展的重要方向，其中氮化鎵（GaN）技術是熱點。于洪宇團隊在AlGaN/GaN HEMT 器件研究方面取得系列進展為行業所關注, 如圖1 所示， 相關成果在國際微電子器件權威期刊IEEE Electron Device Letters、IEEE Transactions on Electron Devices 及IOP Semiconductor Science and Technology 上發表，其研究與優化所催生的創新工藝有望實現常關型射頻器件，實現產業化突破。

圖1 源漏歐姆接觸方面的成果與世界先進水平對比

2   專“芯”致志的寬禁帶科研情結

以5G 移動通訊為代表高密度基站所需功率放大器在高頻下要有高功率輸出，無論傳統硅半導體器件，還是GaAs 半導體器件，高頻輸出效率都不高，實用效果不好。而第三代半導體GaN 有較寬禁帶寬度，已成為新型功率放大器首選。對輸出功率與工作頻率要求高于GHz 和5 W 以上的軍事雷達、航天通訊也大有裨益。

目前GaN 功率器件市場迅速擴大，盡管已有部分產業化應用，但依然存在如器件效率、器件成本和電流崩塌現象等難題，南科大已開展器件和工藝相關研究集中解決。

GaN 射頻器件的主要生產廠商包含Wolfspeed、UMS， 還有管制類射頻GaN 器件制造商Macom 和Qorvo。國內方面，海威華芯及收購OMMIC 的四川益豐。軍事用途的高端GaN 產品只有歐美廠家。行業產品幾乎都為Sub-6 GHz 波段，功率皆>5 W/mm，國內與國外差距不明顯。從學術界來看，以往由歐美實驗室( 例如美國MIT 與瑞士ETH) 刷新紀錄的超高頻器件格局近年來正在被國內團隊打破，代表國內在產業與學術領域逐漸追趕上國際水平，也突顯高效器件如何從學術界轉移至產業的重要性。南科大于洪宇教授課題組早期重點研發GaN 功率器件，近兩年著手開發GaN 射頻器件，不同于主流SiC 上GaN 器件，特色是Si 基GaN 器件，這在國內外都是發展較慢卻有利于未來大規模市場化的結構。在單步工藝，如歐姆接觸、器件表面鈍化與柵極工藝都有相關成果已經發表，有些工藝甚至具有國際領先水平。如圖2 為深港微電子學院寬禁帶半導體研究方向。

圖2 寬禁帶半導體研究方向

3   全“芯”全意的EDA共享情誼

在半導體設計行業中EDA 工具總是處于最上游，是集成電路產業發展的基礎。如圖3 所示，芯片設計制造流程的起始就是EDA，這對中下游的設計、制造、封測行業具有基礎性、戰略性、服務性重大作用。隨著IC 不斷向高集成度、高速度、低功耗、高性能發展，對高可靠計算機輔助設計手段EDA工具的依賴愈發強烈。

深港微電子學院與國際知名企業Synopsys 和國內華大九天、鴻芯微納等廠商合作，進行IC 設計方法學研究，完善EDA 工具流程，積極參與國家解決“卡脖子”計劃，加強國產化自主設計。同時全面推進國產集成電路EDA 工具平臺進校園工作，與企業合作建設集成電路產教融合創新平臺。與IC 設計方法學和EDA 領域領先者合作建立實驗室，充實EDA 研究中心資源。作為大學計劃的核心，搭建IC 設計EDA 支撐平臺，涵蓋數字ASIC、混合信號IC、模擬IC，RF 射頻IC，還有三代半專用EDA，以及片上系統（SOC）在內的多種設計流程和設計方法，對于含低功耗設計、可制造性設計（DFM）、可測性設計（DFT）等流程也納入公共EDA 平臺之中。該平臺業已制訂長遠和持續發展的軟、硬件完善升級計劃，吸收國內包括華大九天、鴻芯微納等知名廠商優惠提供大學計劃EDA 軟件包，并不排斥國際知名廠商的參與。嚴格采用先進的技術手段和管理模式，既保證設計數據的安全和技術保密，又尊重和保護知識產權，為中國科研和教學創造良好的環境，并樹立樣板工程。

在學院四個研究中心的布局中，EDA 工具承擔著關鍵的支持工作，為SOC 系統設計、傳感器應用、第三代半導體三個中心提供服務，提供面向人工智能芯片（AI）設計的EDA 仿真平臺、面向先進芯片驗證的多物理仿真工具、面向納米器件的量子物理TCAD 工具。

所支持芯片設計囊括寬禁帶、5G 中高頻、AI 類、醫療、神經元與大腦等芯片。EDA 的共享資源將惠及已有眾多聯合實驗室，包括先進芯片設計、智能現實芯片、生物芯片、能源物聯感知、三維封裝熱管理、先進封裝和測試技術、寬光譜光電與材料，以及未來更多的領域。

圖3 芯片設計制造基本流程框圖

4   結語

南科大成立整十周年，深港微電子學院正式成立不過兩周年，然而已在科研領域獲得多個國家級和省市級資質，包括獲批國家示范性微電子學院，于院長對學院的快速發展態勢頗感欣慰。希望深港微電子學院以此為指導，砥礪前行、再接再厲，圍繞國產化半導體產業鏈，努力建設中國微電子學科拔尖人才培養高地和高水平科研的重點基地，并致力于將學院打造成為粵港澳大灣區建設的示范性深港澳合作標桿項目，從而推進中國半導體產業新浪潮。

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年3月期）