射頻電子技術(shù)是無(wú)線通信、物聯(lián)網(wǎng)、雷達(dá)導(dǎo)航等應(yīng)用領(lǐng)域的核心技術(shù)。以III-V族為代表的化合物半導(dǎo)體電路由于優(yōu)異的材料與器件高頻性能，很適合射頻應(yīng)用，但其集成度和復(fù)雜功能等性能不足，成本高。硅基工藝電路雖然集成度大、成本低，但噪聲、功率、動(dòng)態(tài)范圍等性能不足，并且摩爾定律已面臨極限。
射頻異質(zhì)集成電路可將GaAs、InP等化合物半導(dǎo)體材料的高性能射頻元器件、芯片與硅基低成本、高集成度、高復(fù)雜度的數(shù)字和模擬混合電路模塊，通過(guò)異質(zhì)生長(zhǎng)或鍵合等方式集成為一個(gè)完整的2~3維集成電路，充分發(fā)揮了各種材料、器件與結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。
射頻異質(zhì)集成電路是當(dāng)前射頻電子技術(shù)的主流發(fā)展方向之一，美國(guó)、歐洲、日本等都非常重視，近10年投入大量物力、人力進(jìn)行研發(fā)，如美國(guó)DARPA 設(shè)立了硅基化合物半導(dǎo)體材料（COSMOS）和多樣化可用異質(zhì)集成（DAHI）2個(gè)計(jì)劃。
上海交大在異質(zhì)異構(gòu)集成毫米波雷達(dá)系統(tǒng)研究取得重要進(jìn)展！
近日，上海交大電子信息與電氣工程學(xué)院電子工程系毛軍發(fā)院士、周亮教授課題組在IEEE Journal of Solid-State Circuits（JSSC）上發(fā)表了低損耗異質(zhì)異構(gòu)集成W波段毫米波雷達(dá)系統(tǒng)最新研究成果。
IEEE固態(tài)電路期刊（JSSC）是國(guó)際集成電路領(lǐng)域最高級(jí)別期刊之一，代表著業(yè)內(nèi)當(dāng)前最高技術(shù)水平，旨在發(fā)布集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的最新技術(shù)進(jìn)展和紀(jì)錄性成果。
創(chuàng)新成果
異質(zhì)異構(gòu)集成毫米波雷達(dá)使用自主研發(fā)的硅基MEMs光敏復(fù)合薄膜多層布線工藝，三維集成了硅基鎖相環(huán)芯片、SiGe收發(fā)芯片、GaN功率放大芯片、封裝天線和電容等無(wú)源元件。雷達(dá)探測(cè)距離大于800米，最高分辨率優(yōu)于0.08米，重量?jī)H為78克，綜合性能指標(biāo)世界領(lǐng)先。
該成果突破了多芯片精準(zhǔn)定位和多層介質(zhì)微小圖形制備等關(guān)鍵技術(shù)，大幅縮短芯片間、芯片與無(wú)源器件間的互連長(zhǎng)度，降低了互連損耗，克服了化合物半導(dǎo)體互連結(jié)構(gòu)與硅基半導(dǎo)體器件后道工藝兼容性不足的難題，同時(shí)很好地處理了布線間的串?dāng)_和芯片間的電磁兼容問(wèn)題。
圖1 異質(zhì)異構(gòu)集成毫米波雷達(dá)
圖2 異質(zhì)異構(gòu)集成毫米波雷達(dá)的距離探測(cè)
當(dāng)前，摩爾定律已面臨物理、技術(shù)與成本極限的多重挑戰(zhàn)，集成電路在沿著摩爾定律預(yù)測(cè)的尺寸縮小路徑艱難發(fā)展的同時(shí)，亟需開(kāi)辟新的方向，繞道摩爾定律繼續(xù)發(fā)展。三維異質(zhì)異構(gòu)集成能夠突破單一半導(dǎo)體工藝電路的性能、功能極限，實(shí)現(xiàn)集成電路由硅或化合物半導(dǎo)體單一同質(zhì)工藝集成向異質(zhì)集成、由平面集成向三維集成，是后摩爾時(shí)代集成電路發(fā)展的主流方向，也是我國(guó)集成電路變道超車發(fā)展的突破口和歷史機(jī)遇。該成果研制的工藝和設(shè)計(jì)技術(shù)必將促進(jìn)異質(zhì)異構(gòu)技術(shù)的快速發(fā)展。
圖3 硅基MEMs光敏復(fù)合薄膜多層布線工藝完成人
該項(xiàng)工作完成人：上海交通大學(xué)的博士生楊曉、黃銀山、趙哲、倪冬欣、張成瑞實(shí)驗(yàn)師、周亮教授、毛軍發(fā)教授以及中國(guó)工程物理研究院微系統(tǒng)與太赫茲研究中心的合作者程序博士、韓江安博士、鄧賢進(jìn)研究員。
Xiao Yang, Yin-Shan Huang*, Liang Zhou*, Zhe Zhao, Dong-xin Ni, Cheng-rui Zhang , Jun-Fa Mao, Jiang-An Han, Xu Cheng, and Xian-Jin Deng， “Low-Loss Heterogeneous Integrations with High Output Power Radar Applications at W Band”， IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2021.DOI: 10.1109/JSSC.2021.3106444.
毛軍發(fā)院士：異質(zhì)集成電路是繞道摩爾定律的途徑之一
中國(guó)科學(xué)院院士，上海交通大學(xué)黨委常委、副校長(zhǎng)毛軍發(fā)
2021年6月9日，以“創(chuàng)新求變，同‘芯’共贏”為主題的2021世界半導(dǎo)體大會(huì)在南京召開(kāi)。中國(guó)科學(xué)院院士，上海交通大學(xué)黨委常委、副校長(zhǎng)毛軍發(fā)在大會(huì)高峰論壇上介紹了異質(zhì)集成電路的發(fā)展。
據(jù)毛軍發(fā)介紹，芯片現(xiàn)有兩條主要發(fā)展路線，一是延續(xù)摩爾定律，二是繞道摩爾定律。如今摩爾定律正面臨各種挑戰(zhàn)，而繞道摩爾定律有很多途徑，異質(zhì)集成電路就是其中之一。
毛軍發(fā)說(shuō)，所謂半導(dǎo)體異質(zhì)集成電路，就是將不同工藝節(jié)點(diǎn)的化合物半導(dǎo)體高性能器件或芯片、硅基低成本高集成器件芯片，與無(wú)源元件或天線，通過(guò)異質(zhì)鍵合成或外延生長(zhǎng)等方式集成而實(shí)現(xiàn)的集成電路。
毛軍發(fā)表示，異質(zhì)集成電路特色很突出，基于這些特色的優(yōu)點(diǎn)也很突出，正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，使之成為超越摩爾定律的重要路線之一。
在半導(dǎo)體異質(zhì)集成電路中，有一種特殊的集成電路叫毫米波異質(zhì)集成電路。毛軍發(fā)認(rèn)為，它能滿足很多需求，從5G、6G、航天導(dǎo)航到無(wú)人駕駛、智能裝備、物聯(lián)網(wǎng)等都需要毫米波技術(shù)，其次毫米波系統(tǒng)往往包括數(shù)字電路、模擬電路、射頻微波電路，所以對(duì)于異質(zhì)集成更加迫切。當(dāng)然，毫米波異質(zhì)所面臨的挑戰(zhàn)和問(wèn)題也更為嚴(yán)峻和復(fù)雜。因?yàn)楹撩撞l率高，具有分布式參數(shù)，本質(zhì)是從“路”向場(chǎng)演變，設(shè)計(jì)更加困難，其次設(shè)計(jì)工藝和測(cè)試都更復(fù)雜。
針對(duì)異質(zhì)集成電路面臨的問(wèn)題，毛軍發(fā)提出總體研究思路：打破集成電路傳統(tǒng)“路”的思路，向場(chǎng)演變，進(jìn)行多學(xué)科交叉，包括電子科學(xué)與技術(shù)、物理學(xué)，特別是人工智能對(duì)電路的設(shè)計(jì)，需要力學(xué)、化學(xué)、材料等等多學(xué)科交叉開(kāi)展研究。
