硅以外的半导体材料探索之旅
来源：内容由 公众号 半导体行业观察（ID：icbank）翻译自「DARPA」，谢谢。
此时此刻，半导体行业理所当然地关注着摩尔定律即将发生的变化，这个著名的技术预测奠定了微电子时代惊人进步的基础，以及它对硅芯片技术持续进步和主导地位的潜在影响。这意味着考虑微系统的历史中的另一个卓有远见的观点是值得的。当新生的高级研究计划局（DARPA）在1959年度过一周年纪念日时，加州理工学院的理查德·费曼（Richard Feynman）教授发表了他最著名、最重要的演讲之一，题为“在底部还有很大空间”。
同戈登·摩尔一样，费曼也预测到了微尺度系统内的许多技术进步机会。然而，费曼的观点更为宽泛，强调了在原子尺度上操纵结构的能力所带来的奇特可能性。DARPA在将包括半导体在内的许多“奇异”结构带入现实生活的过程中发挥了核心作用，其能力超越了半个世纪以来硅电子所取得的二进制处理能力。
费曼的演讲在20世纪80年代激发了人们对纳米技术的兴趣，因为他对纳米技术的推测以及在原子尺度上定制材料的能力正逐步实现。当时，新兴的晶体生长技术正在创造一种称为复合半导体的材料，在这种材料中，精确的化学成分或合金可以在原子水平上逐层变化。特别是GaAs及其合金作为新的神奇材料出现，使晶体管的性能远远超过硅的极限。DARPA发现新型GaAs晶体管具有更快速移动电子的潜力，从而可以在电磁频谱的更高频率上工作。虽然这项新技术不会在高度集成的数字逻辑上取代硅技术，但DARPA预计其价值将推动下一代雷达和通信系统的发展。为此，DARPA在1988年从国防部长办公室（OSD）手中接过了指挥棒，开始了“微波和毫米波集成电路（MIMIC）”计划，该计划于两年前由OSD提出。
DARPA的MIMIC技术，特别是由它产生的集成技术，使国防部能够制造出无线电和雷达系统，以比先前任何时候都更高的频率和带宽使用频谱。
2018年3月11日，美国空军一架F-16C猎鹰战斗机在阿富汗上空同KC-135同温层加油机补给完毕后，起飞返回巡逻区域。这架飞机的联合直接攻击弹药的核心是通过DARPA的MIMIC计划开发的高性能芯片，这种芯片也使得精确武器所需的RF和毫米波电路成为可能。
一名第10山地师步兵旅战斗队3-6 FA的士兵驾驶着新型精密火力拆卸系统，该系统让士兵可以通过一个应用程序在已批准的智能手机上观看无人机上的实时流媒体全动态视频。世界范围内普遍使用的手机技术部分归功于DARPA资助研究的GaAs半导体产业的发展。
MIMIC计划一直持续到1995年，对工业产生了深远的影响，它寻求开发将高频材料和组件集成到军事相关技术（如无线电和雷达）中的方法和手段，并建立可靠的工业基地完成这些事情。实际上，MIMIC计划可以实现GaAs晶体管技术，从而产生一类新的RF“前端”组件。射频系统的前端是在电磁频谱中发送和接收信号的放大技术。DARPA的MIMIC技术，特别是其中出现的集成技术，使得国防部（DOD）能够制造出比以往任何时候都能在更高频率和带宽上接入频谱的无线电和雷达系统。GaAs技术在国防部系统中的应用一直持续到今天。
除了国防应用之外，高频GaAs放大器为商业界提供了一个关键的拼图，因为商业界在上世纪90年代寻求建立新的移动电话技术。GaAs晶体管使得装有小电池的手提电话能够建立与发射塔的关键通信链路。直到今天，每一部智能手机都包含一小部分GaAs来执行这一关键功能，而且由于DARPA对MIMIC计划的投资，美国在这个价值数十亿美元的半导体行业的供应商中享有占据主导地位。
GaAs技术的成功证明了硅之外的半导体技术的防御意义和商业可行性，并将一种曾经新奇的研究材料变成了一种商品技术。然而，即使GaAs正在逐渐成熟，但由美国海军研究办公室（ONR）和其他机构赞助的研究人员已经开始发现半导体材料的下一个飞跃。宽带隙半导体（WBGS）材料被认为是很有前途的，因为它们能像GaAs那样快速移动电子，同时也能处理大电场。这种高电流和高电压的结合驱动了提供更多RF功率的能力。虽然世界各地也正在开发几种候选材料，但DARPA认为GaN及其合金最有前途，并且建立了宽带隙半导体射频（WBGS-RF）计划来快速推进这项技术。
WBGS-RF计划试图将尚未经证实的有潜力的材料成熟化，使之成为可以促进国防事业的工业技术。该计划于21世纪初启动，最初采用GaN材料，用直径2英寸的小型半导体晶圆承载，晶圆上有大量微管或孔洞，形如瑞士奶酪。在这种不顺利的状态下，WBGS-RF计划系统地解决了材料方面的挑战，然后逐步成功地承担了器件和电路设计方面的挑战。最终，GaN技术实现了它的承诺，现在正被用于下一代雷达技术，如海军的空中和导弹防御雷达（AMDR）。除此之外，还有更多的事情要做：GaN现在是所有主要RF半导体公司的技术组合的一部分。美国再次在这个新兴市场中占据主导地位。
DARPA的努力使得复合半导体从研究边缘发展成为主流半导体产业。DARPA还推动主流硅技术采用包括硅合金在内的变体。特别值得一提的是，硅与锗的组合是DARPA在21世纪初支持的“高效、敏捷的微系统技术(TEAM)”计划所倡导的技术。锗（Ge）是1947年贝尔实验室制造的晶体管的材料基础；然而，由于锗的可靠性问题和硅的加工优势，锗很快就被抛弃，人们转而青睐硅。让锗回归的理由是，尽管它本身没有用，但是包含Ge与Si或SiGe混合的材料使得具有增强RF性能的器件的原子级工程可以直接构建高密度的传统硅逻辑器件。这种技术不具备GaAs和GaN等其他复合半导体的完整性能优势，但它有能力生产混合模拟和数字功能的芯片。事实证明，这种特性非常有用，SiGe技术现在已成为为本地WiFi放大器等应用提供低功耗商用解决方案的主导，现在有望为5G通信提供相控阵系统。
GaAs、GaN和SiGe晶体管技术的这些引人注目的成功证明了通过在原子尺度上操纵晶体结构可能实现的持续创新。然而，即使这些努力也是在硅半导体领域建立的相对容易理解的晶体管物理范例内进行的。微系统更广泛的前沿领域已经超越了材料的电子特性，正如在此过程中出现的一些更奇特的技术所说明的那样。例如，DARPA在21世纪初进行了一系列计划，利用半导体加工来制造可移动和弯曲的微小结构，而不仅仅是传导电子，支持了微型机电系统（MEMS）的发展。MEMS技术在DARPA的支持下蓬勃发展，如今已发展成为一个价值数十亿美元的产业。MEMS运动传感器和执行器是安全气囊保护系统、导航，以及游戏产品的核心，甚至是在影院屏幕上投射电影的内含数百万个的微镜的数字微镜芯片。
近年来，DARPA率先利用所谓的相变材料来制造RF开关，这种开关通过材料晶体结构的转换来操作，而不是通过传统的晶体管动作。这种大规模转换到另一种物理基础和用于数字切换的材料，让太赫兹频段的RF开关的演示成为可能，太赫兹频段是手机操作频率的1000倍左右。
在DARPA的持续投资下，半导体技术层出不穷，它们强化了费曼关于微系统领域存在的广泛机会的观点。虽然这些微米和纳米的景观已经不是DARPA成立时的样子，但是在底部还有很大空间！
图1：2英寸单晶GaAs晶圆，紫色是橡胶手套的反射。
图2：DARPA的GaN-on-diamond高电子迁移率晶体管（HEMT）表现出了改进的热性能，可以为RF系统带来更好的性能。
图3：密歇根大学受DARPA资助的研究人员在定时和惯性测量单元（TIMU）方面取得了重大进展，该单元包含了暂时无法使用GPS时所需的一切辅助导航。单芯片TIMU原型包含六轴IMU（三个陀螺仪和三个加速度计），并将高度精确的主时钟集成到比一美分硬币还小的微型系统中。这个IMU芯片集成了突破性器件（时钟、陀螺仪和加速度计）、材料，以及DARPA的“用于定位导航授时的微技术(Micro-PNT)”计划中的设计。
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