【儀表網 行業深度】“鎵體系”半導體材料具有高效光電轉換效率和光譜覆蓋廣的突出優點，是助力實現光電子信息產業突破的關鍵基礎材料。為搶占“鎵體系”半導體科技制高點，文章在分析“鎵體系”半導體科技的戰略意義、重大需求和國內外發展態勢基礎上，從建制化科研組織、基礎研究、自主可控的平臺建設等方面對我國發展“鎵體系”半導體科技提出了政策建議。

 

　　半導體科技的高水平自立自強，既體現在微電子(集成電路)科技在美西方封鎖局勢下的“自立”問題，又體現在光電子科技如何筑牢長板形成產業突破的“自強”問題。光電子信息產業的率先突破可以為微電子(集成電路)產業提供有力支持、配合和更有利的國際競爭環境。2022年6月，習近平總書記在聽取湖北省光電子信息產業發展及核心技術攻關情況介紹時指出，光電子信息產業是應用廣泛的戰略高技術產業，也是我國有條件率先實現突破的高技術產業。
 

　　光電子信息產業的率先突破離不開高效率的半導體光電材料。2023年7月3日，我國商務部、海關總署發布2023年第23號公告《關于對鎵、鍺相關物項實施出口管制的公告》：依據《中華人民共和國出口管制法》《中華人民共和國對外貿易法》《中華人民共和國海關法》有關規定，為維護國家安全和利益，經國務院批準，決定對鎵、鍺相關物項實施出口管制，公告自2023年8月1日起正式實施。其中，鎵相關物項包含金屬鎵、氮化鎵、氧化鎵、磷化鎵、砷化鎵等8項。除鎵屬于金屬，其他7項均為含鎵元素的化合物半導體材料，可統稱為“鎵體系”半導體，其主要特點是高光電轉換效率和優異的電子輸運性能，且能覆蓋從紫外、可見光、紅外、太赫茲一直到毫米波、微波的常用電磁波譜，是光電子信息產業中光電感知、傳輸的基石。
 

　　對金屬鎵和“鎵體系”半導體材料實施管控舉措，展現出我國在該領域已具備一定的資源優勢和材料優勢，但更具戰略意義的工作是如何搶占“鎵體系”半導體科技的制高點，進一步筑強我國光電子芯片的長板，進而增強我國光電子信息產業的國際競爭力。
 

　　一、發展“鎵體系”半導體科技對搶占新一代半導體科技制高點具有重要戰略意義

 

　　1、“鎵體系”半導體科學內涵豐富，對筑強光電子芯片長板起著關鍵基礎作用
 

　　傳統概念上的“鎵體系”半導體材料與器件，基本都是在系統中獨立封裝、各司其職的分立元器件，包括在很多領域起到關鍵作用的器件，如半導體激光器、探測器、功率放大器、低噪聲放大器、發光二極管等。廣義的“鎵體系”半導體概念更強調“體系”甚至是“生態”，強調“異質”集成理念及相關技術，也可以融合先進的集成電路芯片和制造技術。
 

　　2、發展“鎵體系”半導體科技對我國搶占新一代半導體科技制高點具有重要戰略意義
 

　　當前，基于硅體系的集成電路芯片發展最為成熟，已經形成了完整的體系生態。但硅體系是美西方掌握話語權的體系生態，我國使用先進的裝備、制造技術、電子設計自動化(EDA)工具都會受到嚴格限制。要逐步扭轉我國在集成電路芯片領域被動的局面，一方面要有底線意識，在集成電路賽道緊追不舍，并前瞻性地加強集成電路基礎能力建設，逐步點亮集成電路科技自立自強的“燈塔”；另一方面要有長板思維，找準具有優勢基礎的領域布局新賽道，以搶占新一代半導體競爭的科技制高點。大力發展“鎵體系”半導體科技，并形成“體系”和“生態”，將有助于我國確立在新賽道上的領先優勢。
 

　　3、我國“鎵體系”半導體科技已有自主可控能力，具備搶占科技制高點的物質基礎
 

　　長期以來，對于硅體系領跑者的美西方對發展“鎵體系”半導體科技意愿不強、動力不足，我國的“鎵體系”半導體科技追得比較緊，同美西方的差距相對較小。僅以中國科學院半導體研究所為例，從早期的砷化鎵激光器、氮化鎵激光器，到近期的高性能銻化鎵紅外探測器和激光器，以及氮化鎵藍光發光二極管，其科技工作的深度和水平同國際一流研發機構相比也基本能處于“并跑”行列。特別值得一提的是，我國還構建了卓有成效的攻關關鍵核心技術的新型舉國體制。另外，“鎵體系”半導體科技的特點是不依賴最先進的制造技術也能制造出高性能的器件，不存在集成電路領域被先進光刻機“卡脖子”的問題。
 

　　二、“鎵體系”半導體技術的重大需求與發展態勢分析
 

　　1、“鎵體系”半導體支持在廣域電磁波譜段范圍內實現感知、計算、傳輸三者智能融合的終端芯片
 

　　從傳統的感知、計算分離進化到終端感知、計算、傳輸智能融合，是解決云端計算大數據量延遲、抗網絡風險能力弱的有效方案。現場可編程邏輯門陣列(FPGA)、人工智能硬件加速器、數據轉換器、數字信號處理等，必須與負責態勢感知和數據傳輸的“鎵體系”半導體芯片集成到單個封裝中，并由高效的電源管理芯片提供支持，以提高智能終端系統的自主性、多任務靈活性，以及減小尺寸、重量和功耗(SWAP)。與相對成熟的分立器件只重視單獨優化材料和元件性能的傳統設計理念不同，“鎵體系”半導體更注重系統協同優化理念和可重新配置的平臺思維方式。
 

　　2、“鎵體系”半導體支持高速光子收發器件，有望徹底解決云端大算力芯片的海量數據大帶寬傳輸瓶頸問題
 

　　云計算中心目前面臨著越來越嚴重的數據傳輸瓶頸，而這個問題有望通過共封裝光學(CPO)技術來解決。CPO將高速半導體激光器、高速光學接口元件緊密地結合成為一體化的高性能光子收發器件，并與大算力芯片異質異構集成封裝，為大算力芯片需要的海量數據提供高效的長距離和大帶寬數據傳輸。與傳統電路板上的銅電線相比，“鎵體系”半導體技術可提供顯著提高的數據傳輸速率和極低的數據功耗——現有結果已經展示在單個小芯片產生了T比特每秒量級的數據吞吐量，且能耗僅為5皮焦每比特。
 

　　3、“鎵體系”半導體的終極形態將是多種材料原子級堆疊構建的多異質結量子結構，并可制備出顛覆性的光-電-智能共融芯片
 

　　目前，一些正在快速發展的材料生長新技術有望實現多種高品質“鎵體系”半導體材料納米尺度下的異質堆疊，實現在單個器件中集成所希望的多種材料特性，以突破傳統單一材料的設計權衡。這將提供具有顛覆性優勢的新材料特性，電子、光電子、量子、磁性等器件都將從這場“變革”中受益。例如，現在已有堆疊了多層氮化鎵溝道的材料報道，這足以支撐帶有側柵極的3D多通道結構場效應晶體管，以實現極低的導通電阻。
 

　　三、發展我國“鎵體系”半導體科技的建議
 

　　長期以來，我國半導體科研和產業發展，始終在不同程度上存在著頂層規劃落實不到位、基礎研究和專利布局滯后、核心裝備和制造技術受制于人、科研和產業脫節等“老大難”問題。通過深刻領會習近平總書記提出的“強化基礎研究前瞻性、戰略性、系統性布局”重要指示精神，對發展我國“鎵體系”半導體科技提出4條建議。
 

　　1、充分發揮國家科研機構建制化組織作用，聯合國內有基礎的研究型大學和科技領軍企業對“鎵體系”半導體科技開展頂層設計、統籌規劃、合力攻關
 

　　組織從物理原理、材料、器件、裝備、產品到工程應用的全鏈條、最具實力的“鎵體系”半導體科技力量，扎實凝練關鍵科學問題和科研目標，構筑“鎵體系”半導體科技的科研新范式。這個范式創新是美西方目前還沒有明確提出的；因此，要下好“先手棋”，盡快開展頂層規劃，穩步推進，有序實施。從規劃層面確保科研機構在攻關過程中能夠改變傳統的“散裝”課題意識，科技企業能夠轉變以往的“頭痛醫頭、腳疼醫腳”的短期意識。要對標對表習近平總書記“光電子信息產業是應用廣泛的戰略高技術產業，也是我國有條件率先實現突破的高技術產業”目標要求，發揮新型舉國體制的優勢，強化“鎵體系”半導體科技的協同攻關，增強核心競爭力，搶占科技制高點；迅速形成我國“鎵體系”半導體的科研、產業優勢，以增強我們同美西方的競爭能力、談判籌碼。
 

　　2、高度重視基礎研究，從“鎵體系”半導體量子物理和EDA工具的源頭做起，并超前做好專利布局
 

　　“鎵體系”半導體作為較新的材料體系，研究相對不充分、不完全，許多材料性能的假設尚未通過理論或實驗檢驗，也沒有得到充分評估或證明。通過理論仿真、預測和基準測試了解材料系統的基本特性，對于決定如何進一步發展器件制造至關重要。自主可控的EDA工具在理論研究和實驗檢驗的基礎上發展并完善，有助于實現原子級到電路級的仿真，可以顯著縮短芯片研發的周期和成本，并為超前布局專利體系贏得時間。
 

　　3、高度重視基于自研裝備的科研平臺能力建設，將基礎研究固化在自主可控的核心裝備上，從根本上擺脫受制于人
 

　　由于先進裝備受限，采用落后的工藝在短期內是我國半導體界唯一的選擇。大力發展“鎵體系”半導體制造技術，是推動自主可控的半導體裝備國產化驗證的有效推手，特別是驗證國產光刻機及光刻膠等相關耗材的有力途徑。目前，國產裝備要想導入成熟的硅集成電路產線進行驗證面臨很大阻力。“鎵體系”半導體目前對裝備的線寬和可靠性要求不像硅體系那么嚴苛，可以和國產裝備天然形成共同成長的伙伴關系。
 

　　4、打通科研平臺和生產企業之間的壁壘，發揮好光電子信息產業的科技領軍企業的“出題人”“答題人”和“閱卷人”作用
 

　　“鎵體系”半導體應向先進的硅制造工藝學習，導入生產企業樂于接受的大尺寸、低成本硅襯底平臺，以及大尺寸小線寬光刻、化學機械拋光、平面化多級銅互連等先進工藝模塊。這樣做有助于打通科研平臺與生產企業之間的壁壘，有利于實現高產量、高性能和低成本生產。科研平臺應以多項目晶圓(MPW)的方式，向國內的設計企業積極開放平臺代工資源，但前提是對創新設計的知識產權(IP)享有共同的權利。科研平臺和科技企業之間緊密合作，以實現“鎵體系”半導體技術從設計到制造、測試、應用等全鏈條的快速迭代推進。