2018年国际电子元件会议观察(一)

国际电子零组件会议(International Electron Devices Meeting；IEDM)是国际半导体界的盛事，从议程可以一瞥整个半导体产业的未来展望。由于有论文的发表，创新的成分是必要条件。但是新的技术未必能真正被实施，而接近商业化的新兴技术又有公司机密的考量，从IEDM议程与发表论文中也许未必能呈现产业研发的完整风貌，能从其中淬取出什麽端倪，要靠个人的经验来做自由心证。

无论如何，每年的IEDM有年度焦点议程(focus sections)，这是整个产业的关注焦点，反应整个产业面临的共同问题与发展方向。2018年的4个焦点议程为Interconnect to enable continued scaling、Quantum computing devices future、Technologies towards wireless communication: 5G and beyond、Challenge for wide band gap device adoption in power electronics。

第一个焦点议程基本上处理的是在持续微缩的过程中铜连线(interconnect)所遭遇的电迁移(electromigration)问题。电迁移是指金属材料中的金属离子承受电流中电子动量移转而逐渐离开离子原来的位置，因而造成可靠性问题、甚或断裂。提出来的论文有的从零组件或金属连线的设计下手，有的则考虑替换材料，譬如从铜替换成钴或钌；有的则在铜连线的上下加上石墨烯、钴、氮化钽等材料，改善速度和可靠性。这些都是沿着摩尔定律轨迹继续前进的步伐。

量子运算零组件谈的多是各种量子位元的材料，包括最先开发的超导体、矽的离子植入掺杂(ion-implanted dopant)、矽同位素、Majorana费米子等。由于目前量子位元数目最多还不到100个，而要做真正有效的量子运算需要至少几千个量子位元。如若考虑到目前量子位元保真度(fidelity)的水平，量子错误修正(QECC)所需的量子位元数目更要有数量级的成长，因此量子位元数的可扩张性(scalability)是必要条件，如何以先进半导体制程来整合这些各种量子位元也是个重要议题。

第三个焦点议程关注5G以及未来的通讯需求，由于未来时代通讯所需传递的信息量大，速度是先决条件。有的方法是从现有的矽基半导体，譬如FinFET改善其射频及毫米波(mmWave)的特性下手；另外的则从化合物半导体(compound semiconductor)，也就是现在大陆所称的第三代半导体下手，其实这焦点议程的大标题就是化合物半导体与高速零组件。这次讨论的零组件材料包括GaN材料的高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor；HEMT)、SiG材料的异质接面双载子晶体管(Heterojunction Bipolar Transistor；HBT)。其他的III-V材料如GaAs则在另一非焦点议程中讨论，滤波器在5G应用也很重要，譬如相对于表面声波(SAW)的体声波(Bulk Acoustic Wave；BAW)。

另一个焦点议程是功率器件，材料是宽带隙(wide band gap)材料，主要是SiC和GaN，前者耐高压、高电流，后者切换速度快。SiC的引入功率器件领域已全面化，包括二极管、超接面(super junction) power MOSFET、绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor；IGBT)。GaN被讨论的是在新能源车的应用，还有另一非焦点议程专章讨论GaN的技术和效能。对于功率零组件，可靠性(reliability)永远是核心议题，这也当然在宽带隙功率零组件的讨论范畴之中。

从这几个焦点议题来看，除了第一个是摩尔定律的遗绪之外，其余的都是more than Moore的新领域。新的应用如量子运算、5G、新能源等都是以应用来指引技术发展、添加半导体价值，也难怪在异质整合路标(Heterogeneous Integration Roadmap；HIR)中的工作小组要将应用组放在首位了。