·化合物半導體異質集成技術相當于半導體里的“雜交水稻”技術，可以將不同功能的材料組合在一起，實現優勢互補。

·游天桂認為，科研需要堅持，不要追熱點。一輩子做一件事，研究透徹，成為領域頂尖。不管是高潮還是低谷，堅守一方小的陣地，總有一天會開花。

中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員游天桂。

摩爾定律接近物理極限，追求極致的芯片尺寸對半導體設備的要求也越來越高。而半導體里的“雜交水稻”技術，可以結合化合物半導體和硅各自的優勢，從材料創新角度提升器件性能，有望繞道摩爾定律。中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員游天桂3月2日對澎湃科技（www.6773257.com）表示，他所研究的化合物半導體異質集成技術可基于硅襯底讓不同材料發揮各自更擅長的能力，實現優勢互補。基于這樣的技術，未來單個芯片可實現多樣化的功能，減小芯片尺寸，降低功耗，提高可靠性。

憑借化合物半導體異質集成技術，去年8月，游天桂入選“上海科技青年35人引領計劃”獲獎名單。

半導體里的“雜交水稻”技術

當前，集成電路主要采用硅作為襯底材料。但與硅相比，磷化銦（InP）、氮化鎵（GaN）、氧化鎵（Ga?O?）等化合物半導體具有更豐富的能帶結構和更優異的電學和光學特性。與此同時，硅材料已經接近了物理極限，如果將化合物半導體和硅結合，可以在保持原有器件和工藝尺寸的基礎上繼續推進微電子器件性能。

半導體異質集成技術就是將不同工藝節點的化合物半導體高性能器件或芯片與硅基低成本高集成器件芯片，通過異質鍵合成或外延生長等方式集成。這種化合物半導體異質集成技術類似于雜交水稻，可以將不同功能的材料組合在一起，取長補短、優勢互補，異質材料界面產生更優異的電、光、聲、熱物理特性，可以實現更高功率、更高頻率、更高速率的光子與電子器件。

自上世紀50年代第一個晶體管出現后，研究人員就開始研究硅以外的化合物半導體。到上世紀90年代，隨著通信技術的發展，產業界因為化合物半導體的優勢開始關注這類新材料，探索將化合物半導體集成在硅上，開始發展化合物半導體異質集成技術。

過去，主流的化合物半導體異質集成工藝是異質外延生長，采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）、分子束外延（MBE）等方法在一種襯底上生長另一種具有相似晶格結構的材料。異質外延生長要求兩種材料之間的晶格相互匹配，就像造房子一樣把磚頭一塊塊對齊，否則易產生缺陷。因此異質外延生長只有在特定的襯底上長出特定的材料，難以實現不同晶格材料的異質集成。

游天桂團隊利用了一種更為靈活的異質集成材料制備方法。他們將國外1995年發明的離子束剝離與轉移技術推廣到化合物半導體領域，將其變成一種制備化合物半導體異質集成材料的通用技術。游天桂介紹，利用離子束剝離與轉移技術，就相當于直接從一個完美的化合物半導體單晶晶圓上切下一層，接著像手機貼膜一樣貼到硅襯底上，只要表面足夠平整，就可以實現任意材料的組合。

異質集成技術能否成為半導體換道超車的新機遇？游天桂表示，這是團隊最希望做到的事情。如果能夠成熟應用于集成電路領域，就不再需要追求極致的芯片工藝節點，也可以避開光刻機、刻蝕機等先進制程裝備，可從材料創新角度提升器件性能。

“接棒”研發XOI異質集成材料

中科院上海微系統所歷來主攻方向之一是高端硅基材料及應用，上世紀80年代中期開展了絕緣體上硅（SOI）材料的研究。進入新世紀，SOI材料實現產業化，填補了國內空白。SOI類似三明治結構，在頂層硅和底層硅襯底之間引入一層二氧化硅。

2014年后，中科院上海微系統所歐欣研究員在此基礎上研發XOI異質集成材料，這也是一種類似三明治的材料結構，最上層的X代表任意半導體，中間層是二氧化硅，底層是硅襯底。目前基于鈮酸鋰、鉭酸鋰的硅基壓電材料已在上海嘉定實現產業化。2016年加入中科院上海微系統所后，游天桂也握住了接力棒。利用離子束剝離與轉移技術，他的團隊正在開發采用磷化銦、氮化鎵、氧化鎵等化合物半導體的XOI異質集成材料。

磷化銦在光通信領域具有重要應用前景。過去，研究人員也嘗試利用離子束剝離磷化銦，轉移到硅襯底上，但需要特別高的注入劑量和特定注入溫度窗口，并不適合產業化。游天桂團隊開發了氦氫離子共注技術，更高效地剝離磷化銦薄膜，并研制了4英寸硅基磷化銦異質集成晶圓。

“最近我們在硅基磷化銦上生長了激光器，也就是用Ⅲ-Ⅴ族材料做發光的激光器，把光學器件跟硅基襯底集成。對比異質外延生長和離子束剝離與轉移兩種技術方法，我們發現利用后者制備的器件，閾值電流密度、工作溫度目前都達到了國際最高水平。”游天桂說，他們用一個更小的電流就可以讓器件發光，器件也可以耐受更高的溫度。

除了高質量硅基磷化銦異質集成，他們也在研究高導熱氧化鎵異質集成晶圓。氧化鎵被認為是繼氮化鎵、碳化硅后最有望實現產業化應用的一種寬禁帶半導體材料，在功率器件領域具有應用前景，但其致命缺陷是熱導率低、散熱能力差，影響器件壽命。2018年起，游天桂團隊探索把氧化鎵與具有高熱導率的襯底集成，從而幫助其散熱，他們用離子束剝離與轉移技術首次實現了晶圓級氧化鎵單晶薄膜與高導熱襯底（Si或SiC）的異質集成，氧化鎵功率器件的散熱能力提升4倍，解決了氧化鎵器件的散熱瓶頸。

游天桂團隊也在探索解決高導熱氧化鎵異質集成晶圓的工藝難題。用離子束剝離與轉移技術將兩種材料“貼”在一起，由于材料熱膨脹系數不同，溫度升高，材料膨脹，產生應力，材料間相互拉扯易破壞異質集成材料。為此，材料間必須緊密貼合。不同于過去采用日本的鍵合技術，為實現自主可控，游天桂團隊開發了熱鍵合技術，既減小應力，也無需在真空環境中操作，更適合量產。

科研不宜追熱點

游天桂闖入科研世界，始于大學二年級的暑假。那時候利用暑假和課余時間，他泡在實驗室研究新型半導體材料，大三時獲得了國家大學生創新實驗計劃項目，這為他打開了科研的大門。2012年10月，游天桂獲得國家留學基金委的資助，前往德國開姆尼茨工業大學攻讀博士。第二年剛過完元旦，大部分德國人還在休假，他的德國導師回到實驗室上班。實驗室里，只有游天桂和導師兩人，他只能用英語磕磕絆絆和導師交流。

“剛到兩個多月，也算是運氣好，在一個器件上發現了一個新的特性。”圍繞這個話題，游天桂和導師討論了一整天，在A4紙上不停寫。那一年，基于這個發現，游天桂在《先進功能材料》等期刊上連續發表論文。“從那以后，我就覺得我適合做科研，科研讓我產生滿足感和信心。”

2016年，磷化銦、氮化鎵等化合物半導體在國際學術界和產業界大熱。游天桂也認為，化合物半導體具有發展前景。2016年回國后他開啟了化合物半導體異質集成技術研究。“那時候還沒有太多人關注異質集成這個方向，我們一直花了很大精力把離子束剝離與轉移技術推廣到化合物半導體。”

剛開始摸著石頭過河，研究物理本質，看到其他團隊的研究報道，盡管采用了同樣的工藝條件，但自己卻做不出同樣的結果。“剛開始我們不知道要注入多少離子才能把化合物半導體剝開，就需要反復做實驗，周期很長。”慢慢積累了經驗，現在拿到一個新材料，就能大致判斷出需要注入多少離子，再進行優化，快速走通工藝。

“科研需要堅持，不要追熱點。這幾年新出來的材料很熱，很多人一窩蜂涌上去，過幾年這種材料可能沒那么熱了，或許就要換一個研究方向。”游天桂更認同一輩子做一件事，研究透徹，成為領域頂尖。“不管是高潮還是低谷，堅守一方小的陣地，總有一天會開花。”

目前，游天桂團隊正基于異質集成材料開發器件工藝。“過去的器件工藝都是基于單純的磷化銦或單純的氮化鎵，現在有了硅基磷化銦和硅基氮化鎵，器件工藝跟過去是不一樣的。”“中科院的研究所強調主責主業，解決國家的需求和痛點。”他希望自己的研究真正有用，未來可應用于人們日常生活中，比如手機的射頻器件。就像過去的硅基壓電材料一樣，他期望硅基磷化銦、硅基氮化鎵、高導熱氧化鎵也能實現產業化。