中国新材料研究前沿报告（2020）：先进半导体关键器件材料（二）
陈弘达1，缪向水2，张兴旺1，赵璐冰3
1中国科学院半导体研究所
2华中科技大学光学与电子信息学院
3第三代半导体产业技术创新战略联盟
3. 评价我国在该领域的学术地位、作用及学科发展动态
3.1. 第三代半导体材料有机会成为中国半导体产业崛起的突破口
我国已经成为多个产业的制造生产大国，但芯片等核心电子材料掌握在发达国家手里，部分材料的核心技术和供应链仍然受制于人。我国功率电子和微波射频产业整体的技术水平落后世界先进水平3-5年。比如第三代半导体用于能源转换的电力电子技术，是能源、电子与控制技术三大领域的交叉，是高端制造的核心门槛和节能减排的关键环节。目前汽车、高铁、电网等应用领域的功率半导体基本依靠进口，高端器件禁运、采购成本高、供货周期不稳定等问题突出。华为通信基础设施中核心射频功放器件原来高度依赖美国供应商，受美国制裁后转向日本供应商和培育国内供应商，但美国又从核心装备角度提出禁令，限制我国战略性新兴产业的应用引领，存在巨大风险。
半导体产业，研发投入周期长，技术更新快，全球竞争激烈，先行者有先入优势，已形成通过盈利持续支撑创新的能力，后进入者追赶难度大。另外半导体在应用系统中成本占比低，性能和可靠性要求高，国产进入应用供应链难度大、周期长，难有机会通过应用验证进行迭代研发，产业化能力提升慢，当前国际发展环境的变化对装备、技术和人才合作带来了不确定性。第三代半导体材料作为新一代技术发展方向，亟需解决短期进口替代、长期创新发展的问题，解决技术成熟度、产业化能力、产业链配套，避免出现硅产业的覆辙。
第三代半导体材料，特别适用于中高压电力电子转换、毫米波射频和高效半导体发光应用，需求牵引的作用特别明显，中国已开始了全球最大、最复杂、发展最快的能源互联网建设，其包含的特高压远距离输电、大规模新能源并网、电网控制等技术；中国已建和在建的全球最高运营速度、最长运营里程、最佳效益的高速轨道交通以及未来的“一带一路”建设；全球增长最快和最大的新能源汽车市场；全球最大规模的4G和5G移动通信；全球产能最大、市场最大的半导体照明及超越照明；全球用户最多、规模最大的、多元化梯度式的工业电机及消费电子市场。这些应用产业中国有明显的规模化战略优势，都需要第三代半导体材料和器件的支撑。第三代半导体技术突破将带来新一轮应用产业革命，是我国在光电子、电力电子和微波射频等领域抢占技术和产业制高点，重构全球半导体产业格局的绝佳机遇。
3.2.锑化物红外探测器材料及器件方面。
我国处于跟跑阶段，正在努力缩小由于起步晚而导致的差距；在光电子器件集成芯片方面，我国目前的芯片主要集中在中低端，高端产品与国际领先水平相比尚有很大差距。
我国开展锑化物II类超晶格红外探测器材料及器件方面的研究机构有中国科学院的半导体研究所、上海技术与物理研究所、上海微系统所和苏州纳米所，武汉高德公司、中电科11所、昆明211所、苏州焜元公司等。在锑化物衬底材料方面，中国科学院半导体所是国际上两家能够提供经过外延验证的4英寸直径商用GaSb衬底晶圆单位之一。采用LEC法生长的4英寸GaSb晶片，其位错密度＜3000 cm-2，达到国际先进水平。采用VGF法制备的3英寸InAs单晶，其位错密度小于103cm-2，处于国际领先水平。在此基础上，2016年以及2019年中国科学院半导体所与武汉高德红外公司成功研发出了640´512长波焦平面组件，50%截止波长为12 μm，噪声等效温度为24 mK，盲元率小于1%。另外还研制成功320×256和640×512阵列规模的3μm/5μm、5μm/12μm的双波段锑化物焦平面芯片。2020年洛阳空空导弹研究院成功研制出了320×256短中波双色探测器组件，探测率分别为1.34´1011和3.12´1011 Jones，盲元率小于2%。近年来中科院苏州纳米所采用InAs衬底通过MOCVD技术外延生长制备了8 μm波段InAs/GaSbⅡ类超晶格红外探测器，研究结果表明其材料性能达到与MBE技术同等水平。2020年上海技术与物理研究所在InAs衬底上研制出了320×256长波焦平面组件，50%截止波长为9.5 μm，探测率为5.88´1010 Jones，噪声等效温差为20.6 mK, 盲元率小于1%。整体而言，在锑化物II类超晶格红外探测器材料及器件方面，我国是紧紧地跟随国际上前沿研究的脚步，缩小由于起步晚而导致的差距。除探测器外延材料研究外，半导体所还在GaSb衬底上完成了2-4 μm中红外激光器材料外延工作。当前锑化物激光器外延材料的波长可在2-4 μm之间自由调节，基于这些材料的2 μm激光器最大功率可以达到1.6 W，线列Bar条可以超过10 W。当前半导体所2 μm激光器性能已经全面突破国际禁运，跻身国际主要2 μm波段激光器供应商行列。
在光电子器件集成芯片方面，与国际领先水平相比，我国的研究与生产尚有很大差距。我国目前的芯片主要集中在中低端，而在高端芯片及器件的研发方面明显不足，核心材料生长、技术指标以及集成度方面差距有越来越大趋势，严重制约了后端相关产业的发展。目前，上海依托中科院微系统所正在搭建8寸硅光工艺线；重庆的联合微电子中心有限责任公司，2020年面向全球发布了我国首个自主开发的180纳米成套硅光工艺设计工具，并建成国内首个硅光芯片全流程封装测试实验室。但基于III-V通用集成光子平台急需建设，III-V光集成技术研究的单位有中科院半导体所、华中科技大学、清华大学以及南京大学等相关课题组，有一定的单片集成技术的积累及部分单元集成的经验，相对比较分散，需要集中优势发展国家通用的III-V光子集成技术平台，开发PDK以及通用工艺，最终实现III-V光子集成芯片多项目晶圆（MPW），像微电子集成电路一样，实现科研与生产的代工模式，促进光子集成芯片技术的发展和产品应用。
3.3.忆阻材料有望成为我国在智能时代信息技术取得领先的基石
由于存储器在半导体芯片领域中不可或缺的重要地位，而传统半导体存储器领域我国缺乏核心知识产权，长期依赖国外进口，尤其是先进存储器技术受制于少数发达国家和国际半导体巨头。人工智能已成为国际竞争白热化的研究方向，随着人类社会进入智能时代，其意义更为突显。忆阻器，有望成为后摩尔时代的核心信息器件之一，在半导体存储器、智能计算器件等领域都能够扮演重要角色，理应成为我国重点布局发展的具有战略意义的学科和产业方向。
总的来说，我国在半导体忆阻材料和器件领域的研究起步并不晚。在2008年美国惠普实验室宣称第一次物理实现了忆阻器之后，科技部就在国际科技合作类项目中立项，资助华中科技大学就“忆阻材料及原型器件研究”开展研究。近10年，随着国内对忆阻器这一新兴器件以及存算一体化新兴技术的认识逐步加深，科技部等各级部门开始逐步增加“忆阻器”研究方向的立项支持，尤其是国家自然科学基金委，持续资助了一批项目开展前沿探索性研究。华中科技大学、中科院微电子、北京大学、清华大学、复旦大学、南京大学、国防科技大学、东北师范大学、中科院宁波材料所等一批国内科研院校，发挥各自优势，对忆阻器理论、材料和器件等层面展开了全面的研究，涌现出一批成果、积累了一些关键技术和知识产权，培养了一批高素质的研发人才，为忆阻器技术的快速发展和成熟奠定了很好的基础。
不管在新型忆阻材料、高性能器件、规模集成工艺，还是在忆阻存算一体化、类脑计算等应用领域，近年来国内都获得了值得赞许的突破，研究水平已经进入了国际第一梯队，引领和推动着国际忆阻器研究的发展。华中科技大学近期报道的宽温区AlOx忆阻器，在100K和400K温度下的擦写次数刷新了记录，在忆阻逻辑运算方面提出了创新性方法。中科院微电子所在忆阻器规模集成方面走在前列，实现了1T1R平面集成，并国际上率先研制出了国际纪录的8层堆叠的三维忆阻器。北京大学在忆阻器紧凑模型、存算一体化方法研究方面也一直处于国际前列。清华大学在基于忆阻器的神经网络芯片方面取得了令人瞩目的突破，硬件实现了忆阻卷积网络，能效比GPU高两个数量级。南京大学研制出了耐高温的二维材料忆阻器。中科院宁波所在氧化物忆阻器导电通道调控和柔性化方面做出了代表性成果。近年来，在国际上重要期刊如Nature系列期刊、IEEE ED，以及顶级会议如IEDM、VLSI、ISSCC等，国内单位发表的忆阻器相关论文逐年递增。这些都说明国内研究的国际影响力在迅速提升，中国已经成为国际忆阻器研究的重镇。
目前，随着国内的忆阻器研究的不断进步，已呈现了几个重要发展趋势：
（1）小型化、低功耗、多功能发展。忆阻器作为新兴信息器件，能否真正走向应用，首先要能够解决现有CMOS器件技术无法解决的问题，如存算一体化和类脑计算难题；其次要能够一定程度上延续摩尔定律，推动器件向纳米尺度极限微缩，探索新的纳米效应；再次要能够展现出性能优势，从一系列新兴器件中脱颖而出。这些问题的解决，集中体现在忆阻材料逐渐走向低维化，器件走向小型化、低功耗、多功能、高密度集成。
（2）跨学科融合。忆阻器的思想发端于电子学，但开辟了新的研究领域，产生了众多亟待解决的关键科学和技术问题，其技术成熟度的提升有赖于多学科的交叉融合、不同背景的研究人员的投入和参与，如材料、微电子、物理、化学、自动化、计算机、神经生物学、人工智能、数学等等。这一鲜明的跨学科特征，也是忆阻器领域能够持续产生创新思路和原始创新成果的重要原因。
（3）以应用驱动材料与器件创新。忆阻器能够在未来的存储器、高性能计算、人工智能等应用领域中发挥核心作用，成为人类生活方式的颠覆性技术，是其吸引各国政府和工业界竞相巨额投入的首要原因。根据忆阻器的不同应用场景，对其性能的要求不一而足。如存储器应用要求忆阻器在二值开关的速度、功耗、保持特性方面有突出优势，而神经网络加速应用则要求忆阻器具有高精度的电导调节能力，且关注器件电导调控的线性度、对称性、动态范围等指标，柔性电子则还要注重忆阻材料和衬底等的机械伸缩和延展性能。由此反映到对忆阻材料选择的不同。
参考文献从略
明日再叙。。。。
第1章 我国新材料基础研究的现状、机遇与挑战/ 002
第二篇 前沿新材料/ 015
第2章 拓扑电子材料/ 016
第3章 六元环无机材料/ 036
第4章 有机光电功能半导体分子材料/ 064
第5章 梯度纳米结构材料/ 082
第6章 柔性超弹性铁电氧化物薄膜/ 098
第7章 集成电路用碳纳米管材料/ 113
第8章 新一代分离膜材料：二维材料膜/ 135
第9章 材料素化/ 154
第10章 空间材料科学研究/ 170
第11章 生物医用纤维材料/ 194
第12章 钙钛矿发光、光伏及探测材料/ 211
第13章 新型超高强度钢及其强韧化设计/ 229
第14章 存储器芯片材料/ 247
第15章 先进半导体关键器件材料/ 278
第16章 热电能源材料/ 295
第17章 燃料电池氧还原催化关键材料/ 314
第18章 材料基因工程关键技术与应用/ 336
第19章 基于先进同步辐射光源的金属材料研究与创新平台建设/ 360
第20章 基于透射电镜的原位定量测试技术及应用/ 388