?隨著集成電路晶體管密度越來越接近物理極限，傳統的硅基半導體材料在提升性能和降低成本方面遇到了瓶頸，單純依靠提高制程來提升集成電路性能變得越來越困難，產業界開始將目光投向化合物半導體材料，尤其是寬禁帶半導體材料和器件以及芯片制程的多樣化趨勢，這些新材料和新技術為半導體產業的未來發展開辟了新的路徑。

化合物半導體芯片優越的功率特性

本文提煉總結了中國科學院院士、西安電子科技大學教授郝躍曾在九峰山論壇上分享的前瞻性精彩洞察，重點聚焦化合物半導體材料與器件發展的三大方向進展，值得關注。

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01進展一：硅基新型高遷移率材料與晶體管

眾所周知，提高MOS晶體管工作頻率可以從減小器件的有效溝道長度以及提高材料的載流子遷移率兩個維度進行改善。在減小器件的有效溝道長度上，從平面結構到FinFET再到GAAFET結構都遵循著這一原則。而若從提高材料的載流子遷移率上考慮，傳統硅基材料在尺寸微縮極限下遇到的關鍵挑戰，例如量子限域效應、隧道效應、短溝道效應、漏電流等問題變得越來越嚴重，是造成集成電路工藝復雜性和系統設計難度顯著提升的重要因素。

圖片來源：郝院士演講PPT

郝院士表示，化合物材料的開發和應用對于維持制程演進至關重要，成為延續半導體技術發展的重要驅動力之一。新材料有很多方向，例如使用Ge、GeSn或III-V族化合物半導體作為溝道材料，與傳統硅基組合成CMOS提高載流子遷移率，在提高器件性能上展示了巨大的潛力，雖然現階段受限于成本因素還僅在實驗室研究階段。

圖片來源：郝院士演講PPT

另一方面，隨著新興應用不斷出現，芯片三維集成技術發展明顯加快。作為集成電路從傳統平面集成方式向垂直方向立體集成方式延伸的產物，三維集成的優勢包括多層器件重疊結構使芯片集成度成倍提高；TSV和混合鍵合工藝使芯片間互連長度大幅度縮短，提高傳輸速度并降低了功耗；多種工藝混合集成使集成電路功能多樣化；減少封裝尺寸降低設計和制造成本等。目前，三維集成技術在存儲器領域得到廣泛應用，尤其是flash memory層數已達數百層，這也啟發了業界對于是否能在邏輯電路中通過化合物半導體實現芯片多層結構的思考。

02進展二：氮化物半導體器件發展

氮化物是當前所有的寬禁帶半導體中唯一能做二維電子氣的材料，它可以完全靠極化來不斷調節二維電子氣的密度，通過調節勢壘層的材料和厚度即可，這是它的一個非常好的優點特性。其中，氮化鎵射頻器件因其優異性能，已成為全球半導體領域的研究焦點和世界各國競相搶占的戰略制高點。

圖片來源：郝院士演講PPT

郝院士研究團隊在氮化鎵材料方面進行了多年持續研究，在高功率密度氮化鎵毫米波功率器件、低損傷氮化鎵增強型射頻器件關鍵技術、低壓高效率氮化鎵射頻功率器件、超高頻氮化鎵器件等技術方向取得了一系列突破進展。例如70nm柵長氮化鎵超高頻器件，實現了在k波段下55%的功率附加效率，遠超砷化鎵器件在這方面的表現，為6G通信技術提供了關鍵技術支持。作為實現微波和大功率半導體器件的關鍵，氮化鎵在太赫茲波段的低損耗特性，在毫米波和太赫茲通信領域同樣表現優異。

郝院士同時還提到硅基氮化鎵材料在降低成本方面具有潛力，但在降低損耗上面臨挑戰，至于未來氮化物半導體的研究挑戰則如同碳化硅一樣，主要是功率密度的上限能高到什么程度以及如何解決空間輻照挑戰。如果這些問題不能得到解決，高效的氮化鎵電源器件就很難進入航空航天領域應用。

03進展三：氧化鎵超寬禁帶半導體器件的發展趨勢

與當前產業界火熱的第三代半導體相比，近年來氧化物半導體同樣吸引了行業的極大關注。氧化鎵是超寬禁帶半導體的典型代表，禁帶寬度高達（~4.8 eV），臨界擊穿場強高達（~8 MV/cm），是研制高耐壓、大功率和高效節能半導體器件的理想半導體材料之一。在相同耐壓情況下，氧化鎵功率器件具有更低的導通電阻，可實現高擊穿、低功耗和低成本器件芯片三重優勢，在電力傳輸轉換、電動汽車、高鐵等領域具有重大應用前景。

圖片來源：郝院士演講PPT

不過，氧化物也有弱點就是散熱問題，不解決它的散熱問題，就不可能實現產業化。據郝院士介紹，目前微系統所和西電采用smart cut轉移了wafer級氧化鎵薄膜于高熱導率襯底，部分解決了氧化鎵襯底低熱導率的問題，實現了4英寸氧化鎵材料的轉移。雖然氧化物半導體離真正產業化還有一定的距離，但已讓人看到了應用前景。

異構集成技術引領半導體未來發展面對后摩爾時代的挑戰，化合物半導體材料和器件的發展為半導體產業帶來了全新的方向和機遇。從硅基新型高遷移率材料到氮化物半導體，再到氧化鎵超寬禁帶半導體，這些新材料的不斷涌現和發展，不僅拓寬了半導體技術的應用領域，也為集成電路性能的提升提供了新的可能性。

在這一背景下，實現硅基集成電路與化合物半導體的多功能集成顯得尤為重要，無論是光電子還是傳感器，或是功率電子，都可以與硅集成電路廣泛的集成在一起以提升單一器件的性能，同時實現真正意義上的多功能，在后摩爾時代推動我國整個電子信息產業的不斷發展。

2025年4月23-25日，九峰山論壇將在武漢光谷科技會展中心再次啟航，現誠摯邀請全球化合物半導體技術領域的專家學者、行業領航者及創新先鋒蒞臨盛會，發表精彩演講，共享智慧火花，攜手點亮化合物半導體行業的輝煌未來。

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