氮化鎵（GaN）正在重塑半導(dǎo)體行業(yè)游戲規(guī)則。近日，九峰山實驗室已從材料、器件到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用取得一系列突破性成果。
在九峰山實驗室超凈間內(nèi)，研究中心無線領(lǐng)域首席專家吳暢指著一片8英寸硅基氮極性氮化鎵襯底介紹，實驗室在氮化鎵領(lǐng)域接連取得3項顛覆式創(chuàng)新——全球首創(chuàng)8英寸硅基氮極性氮化鎵襯底、全國首個100nm高性能氮化鎵流片PDK平臺、20米遠距無線傳輸能量技術(shù)，未來手機充電“秒充”、電動汽車“邊跑邊充” 、雷達探測“千里眼”等科幻場景正加速照進現(xiàn)實。
“如果說芯片是高樓大廈，材料就是地基。”吳暢用一句話點出這項突破的核心價值。作為第三代化合物半導(dǎo)體材料代表，氮化鎵正在全球范圍內(nèi)掀起一場產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命：小巧高效的氮化鎵充電器讓手機、筆記本電腦等設(shè)備充電速度大幅提升的同時體積變小；憑借其高頻率、高功率和高效率特性，氮化鎵器件還能在無線通信、衛(wèi)星通信等極端環(huán)境下工作，同時提供更大輸出功率和更高能量效率。
氮極性氮化鎵主要應(yīng)用領(lǐng)域
氮化鎵晶體結(jié)構(gòu)分為‘氮極性’與‘鎵極性’兩種極化類型。其中，氮極性氮化鎵憑借更高頻率、更強功率的特性，被視為毫米波通信、雷達探測等領(lǐng)域的“黃金材料”。然而由于嚴(yán)苛的材料生長條件、高度復(fù)雜的工藝等瓶頸制約，全球僅少數(shù)機構(gòu)能生產(chǎn)2-4英寸襯底，且成本高昂。
目前，實驗室團隊在襯底尺寸、成本控制、性能及良率提升方面都取得了重大突破。采用硅基襯底后，氮極性氮化鎵可兼容8英寸主流半導(dǎo)體產(chǎn)線設(shè)備，使該技術(shù)能迅速適配量產(chǎn)工藝，鍵合界面良率超99%，為該材料大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。據(jù)悉，該技術(shù)將加速6G基站、自動駕駛雷達等高端器件的國產(chǎn)化進程。
材料突破只是第一步，如何讓芯片設(shè)計師像“搭積木”一樣快速開發(fā)芯片？九峰山實驗室交出了第二份答卷——國內(nèi)首個100nm硅基氮化鎵商用工藝設(shè)計套（PDK）。PDK（Process Design Kit，工藝設(shè)計套件）是半導(dǎo)體制造中不可或缺的工具包，為芯片設(shè)計者提供工藝參數(shù)、器件模型、設(shè)計規(guī)則等關(guān)鍵信息，快速實現(xiàn)從電路設(shè)計到實際制造的轉(zhuǎn)化，是連接芯片設(shè)計與制造的“橋梁”。
九峰山實驗室氮化鎵PDK研發(fā)團隊
如果說芯片設(shè)計是拼樂高，PDK平臺就像是一套“智能工具包”，將每個基礎(chǔ)模塊加工成設(shè)計師想要的形狀，讓芯片更小巧、更精致。目前，這套PDK平臺性能指標(biāo)已達到國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流水平，可滿足下一代移動通信、商用衛(wèi)星通信與航天領(lǐng)域、車聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、手機終端等多領(lǐng)域需求，推動我國相關(guān)領(lǐng)域器件從“進口替代”邁向“技術(shù)輸出”。
“過去設(shè)計一款氮化鎵芯片，如同閉眼走迷宮。現(xiàn)在有了PDK，我們給設(shè)計師配上了導(dǎo)航儀。”吳暢說。舉例而言，如果把芯片設(shè)計中使用的EDA工具比作小霸王游戲機，那PDK則是游戲機的“插卡”，讓設(shè)計師在氮化鎵領(lǐng)域“開掛”。據(jù)介紹，該平臺已在跨代際開發(fā)、高性能和低成本方面實現(xiàn)突破：平臺跳過150nm技術(shù)節(jié)點，直接攻克100nm柵長工藝；通過一系列技術(shù)突破使應(yīng)用終端在功耗和功率密度方面顯著提升；未來可向8寸及以上大尺寸拓展并與CMOS工藝兼容，進一步降低成本。
“氮化鎵的高頻特性就像‘能量激光筆’，能把電能精準(zhǔn)‘射’向目標(biāo)。”展廳內(nèi)，吳暢正對著一塊大屏講解一套基于自主研發(fā)的氮化鎵器件構(gòu)建的動態(tài)遠距微波無線傳能系統(tǒng)，可實現(xiàn)20米范圍內(nèi)對無人機的動態(tài)無線供能。微波無線傳能是一種無線能量傳輸方式，通過電磁波遠距離傳輸能量，在遠程充電、工業(yè)4.0、空間太陽能電站系統(tǒng)、通信、物聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)急救災(zāi)裝備能源保障、醫(yī)療等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。
九峰山實驗室微波無線傳能系統(tǒng)，在20米范圍內(nèi)實現(xiàn)對無人機的動態(tài)無線供能示范驗證
未來，停車場、高速公路可埋設(shè)充電板，電動汽車“邊行駛邊充電”，無人機無限續(xù)航執(zhí)行救援任務(wù)，甚至太空電站向地面?zhèn)鬏旊娔芏加锌赡茏優(yōu)楝F(xiàn)實。\
（來源：中國光谷）
