随着集成电路晶体管密度越来越接近物理极限，传统的硅基半导体材料在提升性能和降低成本方面遇到了瓶颈，单纯依靠提高制程来提升集成电路性能变得越来越困难，产业界开始将目光投向化合物半导体材料，尤其是宽禁带半导体材料和器件以及芯片制程的多样化趋势，这些新材料和新技术为半导体产业的未来发展开辟了新的路径。

化合物半导体芯片优越的功率特性

本文提炼总结了中国科学院院士、西安电子科技大学教授郝跃曾在九峰山论坛上分享的前瞻性精彩洞察，重点聚焦化合物半导体材料与器件发展的三大方向进展，值得关注。

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01进展一：硅基新型高迁移率材料与晶体管

众所周知，提高MOS晶体管工作频率可以从减小器件的有效沟道长度以及提高材料的载流子迁移率两个维度进行改善。在减小器件的有效沟道长度上，从平面结构到FinFET再到GAAFET结构都遵循着这一原则。而若从提高材料的载流子迁移率上考虑，传统硅基材料在尺寸微缩极限下遇到的关键挑战，例如量子限域效应、隧道效应、短沟道效应、漏电流等问题变得越来越严重，是造成集成电路工艺复杂性和系统设计难度显著提升的重要因素。

图片来源：郝院士演讲PPT

郝院士表示，化合物材料的开发和应用对于维持制程演进至关重要，成为延续半导体技术发展的重要驱动力之一。新材料有很多方向，例如使用Ge、GeSn或III-V族化合物半导体作为沟道材料，与传统硅基组合成CMOS提高载流子迁移率，在提高器件性能上展示了巨大的潜力，虽然现阶段受限于成本因素还仅在实验室研究阶段。

图片来源：郝院士演讲PPT

另一方面，随着新兴应用不断出现，芯片三维集成技术发展明显加快。作为集成电路从传统平面集成方式向垂直方向立体集成方式延伸的产物，三维集成的优势包括多层器件重叠结构使芯片集成度成倍提高；TSV和混合键合工艺使芯片间互连长度大幅度缩短，提高传输速度并降低了功耗；多种工艺混合集成使集成电路功能多样化；减少封装尺寸降低设计和制造成本等。目前，三维集成技术在存储器领域得到广泛应用，尤其是flash memory层数已达数百层，这也启发了业界对于是否能在逻辑电路中通过化合物半导体实现芯片多层结构的思考。

02进展二：氮化物半导体器件发展

氮化物是当前所有的宽禁带半导体中唯一能做二维电子气的材料，它可以完全靠极化来不断调节二维电子气的密度，通过调节势垒层的材料和厚度即可，这是它的一个非常好的优点特性。其中，氮化镓射频器件因其优异性能，已成为全球半导体领域的研究焦点和世界各国竞相抢占的战略制高点。

图片来源：郝院士演讲PPT

郝院士研究团队在氮化镓材料方面进行了多年持续研究，在高功率密度氮化镓毫米波功率器件、低损伤氮化镓增强型射频器件关键技术、低压高效率氮化镓射频功率器件、超高频氮化镓器件等技术方向取得了一系列突破进展。例如70nm栅长氮化镓超高频器件，实现了在k波段下55%的功率附加效率，远超砷化镓器件在这方面的表现，为6G通信技术提供了关键技术支持。作为实现微波和大功率半导体器件的关键，氮化镓在太赫兹波段的低损耗特性，在毫米波和太赫兹通信领域同样表现优异。

郝院士同时还提到硅基氮化镓材料在降低成本方面具有潜力，但在降低损耗上面临挑战，至于未来氮化物半导体的研究挑战则如同碳化硅一样，主要是功率密度的上限能高到什么程度以及如何解决空间辐照挑战。如果这些问题不能得到解决，高效的氮化镓电源器件就很难进入航空航天领域应用。

03进展三：氧化镓超宽禁带半导体器件的发展趋势

与当前产业界火热的第三代半导体相比，近年来氧化物半导体同样吸引了行业的极大关注。氧化镓是超宽禁带半导体的典型代表，禁带宽度高达（~4.8 eV），临界击穿场强高达（~8 MV/cm），是研制高耐压、大功率和高效节能半导体器件的理想半导体材料之一。在相同耐压情况下，氧化镓功率器件具有更低的导通电阻，可实现高击穿、低功耗和低成本器件芯片三重优势，在电力传输转换、电动汽车、高铁等领域具有重大应用前景。

图片来源：郝院士演讲PPT

不过，氧化物也有弱点就是散热问题，不解决它的散热问题，就不可能实现产业化。据郝院士介绍，目前微系统所和西电采用smart cut转移了wafer级氧化镓薄膜于高热导率衬底，部分解决了氧化镓衬底低热导率的问题，实现了4英寸氧化镓材料的转移。虽然氧化物半导体离真正产业化还有一定的距离，但已让人看到了应用前景。

异构集成技术引领半导体未来发展面对后摩尔时代的挑战，化合物半导体材料和器件的发展为半导体产业带来了全新的方向和机遇。从硅基新型高迁移率材料到氮化物半导体，再到氧化镓超宽禁带半导体，这些新材料的不断涌现和发展，不仅拓宽了半导体技术的应用领域，也为集成电路性能的提升提供了新的可能性。

在这一背景下，实现硅基集成电路与化合物半导体的多功能集成显得尤为重要，无论是光电子还是传感器，或是功率电子，都可以与硅集成电路广泛的集成在一起以提升单一器件的性能，同时实现真正意义上的多功能，在后摩尔时代推动我国整个电子信息产业的不断发展。

2025年4月23-25日，九峰山论坛将在武汉光谷科技会展中心再次启航，现诚挚邀请全球化合物半导体技术领域的专家学者、行业领航者及创新先锋莅临盛会，发表精彩演讲，共享智慧火花，携手点亮化合物半导体行业的辉煌未来。

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