射頻電子技術是無線通信、物聯網、雷達導航等應用領域的核心技術。以III-V族為代表的化合物半導體電路由于優異的材料與器件高頻性能，很適合射頻應用，但其集成度和復雜功能等性能不足，成本高。硅基工藝電路雖然集成度大、成本低，但噪聲、功率、動態范圍等性能不足，并且摩爾定律已面臨極限。
射頻異質集成電路可將GaAs、InP等化合物半導體材料的高性能射頻元器件、芯片與硅基低成本、高集成度、高復雜度的數字和模擬混合電路模塊，通過異質生長或鍵合等方式集成為一個完整的2~3維集成電路，充分發揮了各種材料、器件與結構的優勢。
射頻異質集成電路是當前射頻電子技術的主流發展方向之一，美國、歐洲、日本等都非常重視，近10年投入大量物力、人力進行研發，如美國DARPA 設立了硅基化合物半導體材料（COSMOS）和多樣化可用異質集成（DAHI）2個計劃。
近日，上海交大電子信息與電氣工程學院電子工程系毛軍發院士、周亮教授課題組在IEEE Journal of Solid-State Circuits（JSSC）上發表了低損耗異質異構集成W波段毫米波雷達系統最新研究成果。
IEEE固態電路期刊（JSSC）是國際集成電路領域最高級別期刊之一，代表著業內當前最高技術水平，旨在發布集成電路設計領域的最新技術進展和紀錄性成果。
創新成果
異質異構集成毫米波雷達使用自主研發的硅基MEMs光敏復合薄膜多層布線工藝，三維集成了硅基鎖相環芯片、SiGe收發芯片、GaN功率放大芯片、封裝天線和電容等無源元件。雷達探測距離大于800米，最高分辨率優于0.08米，重量僅為78克，綜合性能指標世界領先。
該成果突破了多芯片精準定位和多層介質微小圖形制備等關鍵技術，大幅縮短芯片間、芯片與無源器件間的互連長度，降低了互連損耗，克服了化合物半導體互連結構與硅基半導體器件后道工藝兼容性不足的難題，同時很好地處理了布線間的串擾和芯片間的電磁兼容問題。
圖1 異質異構集成毫米波雷達
圖2 異質異構集成毫米波雷達的距離探測
當前，摩爾定律已面臨物理、技術與成本極限的多重挑戰，集成電路在沿著摩爾定律預測的尺寸縮小路徑艱難發展的同時，亟需開辟新的方向，繞道摩爾定律繼續發展。三維異質異構集成能夠突破單一半導體工藝電路的性能、功能極限，實現集成電路由硅或化合物半導體單一同質工藝集成向異質集成、由平面集成向三維集成，是后摩爾時代集成電路發展的主流方向，也是我國集成電路變道超車發展的突破口和歷史機遇。該成果研制的工藝和設計技術必將促進異質異構技術的快速發展。
圖3 硅基MEMs光敏復合薄膜多層布線工藝完成人
該項工作完成人：上海交通大學的博士生楊曉、黃銀山、趙哲、倪冬欣、張成瑞實驗師、周亮教授、毛軍發教授以及中國工程物理研究院微系統與太赫茲研究中心的合作者程序博士、韓江安博士、鄧賢進研究員。
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.
毛軍發院士：異質集成電路是繞道摩爾定律的途徑之一
中國科學院院士，上海交通大學黨委常委、副校長毛軍發
2021年6月9日，以“創新求變，同‘芯’共贏”為主題的2021世界半導體大會在南京召開。中國科學院院士，上海交通大學黨委常委、副校長毛軍發在大會高峰論壇上介紹了異質集成電路的發展。
據毛軍發介紹，芯片現有兩條主要發展路線，一是延續摩爾定律，二是繞道摩爾定律。如今摩爾定律正面臨各種挑戰，而繞道摩爾定律有很多途徑，異質集成電路就是其中之一。
毛軍發說，所謂半導體異質集成電路，就是將不同工藝節點的化合物半導體高性能器件或芯片、硅基低成本高集成器件芯片，與無源元件或天線，通過異質鍵合成或外延生長等方式集成而實現的集成電路。
毛軍發表示，異質集成電路特色很突出，基于這些特色的優點也很突出，正因為這些優點，使之成為超越摩爾定律的重要路線之一。
在半導體異質集成電路中，有一種特殊的集成電路叫毫米波異質集成電路。毛軍發認為，它能滿足很多需求，從5G、6G、航天導航到無人駕駛、智能裝備、物聯網等都需要毫米波技術，其次毫米波系統往往包括數字電路、模擬電路、射頻微波電路，所以對于異質集成更加迫切。當然，毫米波異質所面臨的挑戰和問題也更為嚴峻和復雜。因為毫米波頻率高，具有分布式參數，本質是從“路”向場演變，設計更加困難，其次設計工藝和測試都更復雜。
針對異質集成電路面臨的問題，毛軍發提出總體研究思路：打破集成電路傳統“路”的思路，向場演變，進行多學科交叉，包括電子科學與技術、物理學，特別是人工智能對電路的設計，需要力學、化學、材料等等多學科交叉開展研究。
