矽以外的半導體材料探索之旅 | 半導體行業觀察
來源：內容由 微信公眾號 半導體行業觀察 （ID：icbank） 翻譯自「DARPA」，謝謝。
此時此刻，半導體行業理所當然地關注著摩爾定律即將發生的變化，這個著名的技術預測奠定了微電子時代驚人進步的基礎，以及它對矽晶片技術持續進步和主導地位的潛在影響。這意味著考慮微系統的歷史中的另一個卓有遠見的觀點是值得的。當新生的高階研究計劃局（DARPA）在1959年度過一週年紀念日時，加州理工學院的理查德·費曼（Richard Feynman）教授發表了他最著名、最重要的演講之一，題為“在底部還有很大空間”。
同戈登·摩爾一樣，費曼也預測到了微尺度系統內的許多技術進步機會。然而，費曼的觀點更為寬泛，強調了在原子尺度上操縱結構的能力所帶來的奇特可能性。DARPA在將包括半導體在內的許多“奇異”結構帶入現實生活的過程中發揮了核心作用，其能力超越了半個世紀以來矽電子所取得的二進位制處理能力。
費曼的演講在20世紀80年代激發了人們對奈米技術的興趣，因為他對奈米技術的推測以及在原子尺度上定製材料的能力正逐步實現。當時，新興的晶體生長技術正在創造一種稱為複合半導體的材料，在這種材料中，精確的化學成分或合金可以在原子水平上逐層變化。特別是GaAs及其合金作為新的神奇材料出現，使電晶體的效能遠遠超過矽的極限。DARPA發現新型GaAs電晶體具有更快速移動電子的潛力，從而可以在電磁頻譜的更高頻率上工作。雖然這項新技術不會在高度整合的數字邏輯上取代矽技術，但DARPA預計其價值將推動下一代雷達和通訊系統的發展。為此，DARPA在1988年從國防部長辦公室（OSD）手中接過了指揮棒，開始了“微波和毫米波積體電路（MIMIC）”計劃，該計劃於兩年前由OSD提出。
DARPA的MIMIC技術，特別是由它產生的整合技術，使國防部能夠製造出無線電和雷達系統，以比先前任何時候都更高的頻率和頻寬使用頻譜。
2018年3月11日，美國空軍一架F-16C獵鷹戰鬥機在阿富汗上空同KC-135同溫層加油機補給完畢後，起飛返回巡邏區域。這架飛機的聯合直接攻擊彈藥的核心是通過DARPA的MIMIC計劃開發的高效能晶片，這種晶片也使得精確武器所需的RF和毫米波電路成為可能。
一名第10山地師步兵旅戰鬥隊3-6 FA的士兵駕駛著新型精密火力拆卸系統，該系統讓士兵可以通過一個應用程式在已批准的智慧手機上觀看無人機上的實時流媒體全動態視訊。世界範圍內普遍使用的手機技術部分歸功於DARPA資助研究的GaAs半導體產業的發展。
MIMIC計劃一直持續到1995年，對工業產生了深遠的影響，它尋求開發將高頻材料和元件整合到軍事相關技術（如無線電和雷達）中的方法和手段，並建立可靠的工業基地完成這些事情。實際上，MIMIC計劃可以實現GaAs電晶體技術，從而產生一類新的RF“前端”元件。射頻系統的前端是在電磁頻譜中傳送和接收訊號的放大技術。DARPA的MIMIC技術，特別是其中出現的整合技術，使得國防部（DOD）能夠製造出比以往任何時候都能在更高頻率和頻寬上接入頻譜的無線電和雷達系統。GaAs技術在國防部系統中的應用一直持續到今天。
除了國防應用之外，高頻GaAs放大器為商業界提供了一個關鍵的拼圖，因為商業界在上世紀90年代尋求建立新的行動電話技術。GaAs電晶體使得裝有小電池的手提電話能夠建立與發射塔的關鍵通訊鏈路。直到今天，每一部智慧手機都包含一小部分GaAs來執行這一關鍵功能，而且由於DARPA對MIMIC計劃的投資，美國在這個價值數十億美元的半導體行業的供應商中享有佔據主導地位。
GaAs技術的成功證明了矽之外的半導體技術的防禦意義和商業可行性，並將一種曾經新奇的研究材料變成了一種商品技術。然而，即使GaAs正在逐漸成熟，但由美國海軍研究辦公室（ONR）和其他機構贊助的研究人員已經開始發現半導體材料的下一個飛躍。寬頻隙半導體（WBGS）材料被認為是很有前途的，因為它們能像GaAs那樣快速移動電子，同時也能處理大電場。這種高電流和高電壓的結合驅動了提供更多RF功率的能力。雖然世界各地也正在開發幾種候選材料，但DARPA認為GaN及其合金最有前途，並且建立了寬頻隙半導體射頻（WBGS-RF）計劃來快速推進這項技術。
WBGS-RF計劃試圖將尚未經證實的有潛力的材料成熟化，使之成為可以促進國防事業的工業技術。該計劃於21世紀初啟動，最初採用GaN材料，用直徑2英寸的小型半導體晶圓承載，晶圓上有大量微管或孔洞，形如瑞士乳酪。在這種不順利的狀態下，WBGS-RF計劃系統地解決了材料方面的挑戰，然後逐步成功地承擔了器件和電路設計方面的挑戰。最終，GaN技術實現了它的承諾，現在正被用於下一代雷達技術，如海軍的空中和導彈防禦雷達（AMDR）。除此之外，還有更多的事情要做：GaN現在是所有主要RF半導體公司的技術組合的一部分。美國再次在這個新興市場中佔據主導地位。
DARPA的努力使得複合半導體從研究邊緣發展成為主流半導體產業。DARPA還推動主流矽技術採用包括矽合金在內的變體。特別值得一提的是，矽與鍺的組合是DARPA在21世紀初支援的“高效、敏捷的微系統技術(TEAM)”計劃所倡導的技術。鍺（Ge）是1947年貝爾實驗室製造的電晶體的材料基礎；然而，由於鍺的可靠性問題和矽的加工優勢，鍺很快就被拋棄，人們轉而青睞矽。讓鍺迴歸的理由是，儘管它本身沒有用，但是包含Ge與Si或SiGe混合的材料使得具有增強RF效能的器件的原子級工程可以直接構建高密度的傳統矽邏輯器件。這種技術不具備GaAs和GaN等其他複合半導體的完整效能優勢，但它有能力生產混合模擬和數字功能的晶片。事實證明，這種特性非常有用，SiGe技術現在已成為為本地WiFi放大器等應用提供低功耗商用解決方案的主導，現在有望為5G通訊提供相控陣系統。
GaAs、GaN和SiGe電晶體技術的這些引人注目的成功證明了通過在原子尺度上操縱晶體結構可能實現的持續創新。然而，即使這些努力也是在矽半導體領域建立的相對容易理解的電晶體物理範例內進行的。微系統更廣泛的前沿領域已經超越了材料的電子特性，正如在此過程中出現的一些更奇特的技術所說明的那樣。例如，DARPA在21世紀初進行了一系列計劃，利用半導體加工來製造可移動和彎曲的微小結構，而不僅僅是傳導電子，支援了微型機電系統（MEMS）的發展。MEMS技術在DARPA的支援下蓬勃發展，如今已發展成為一個價值數十億美元的產業。MEMS運動感測器和執行器是安全氣囊保護系統、導航，以及遊戲產品的核心，甚至是在影院螢幕上投射電影的內含數百萬個的微鏡的數字微鏡晶片。
近年來，DARPA率先利用所謂的相變材料來製造RF開關，這種開關通過材料晶體結構的轉換來操作，而不是通過傳統的電晶體動作。這種大規模轉換到另一種物理基礎和用於數字切換的材料，讓太赫茲頻段的RF開關的演示成為可能，太赫茲頻段是手機操作頻率的1000倍左右。
在DARPA的持續投資下，半導體技術層出不窮，它們強化了費曼關於微系統領域存在的廣泛機會的觀點。雖然這些微米和奈米的景觀已經不是DARPA成立時的樣子，但是在底部還有很大空間！
