从技术瓶颈到产业落地，南京中电芯谷以集成创新破局高频器件研发

当前电子信息产业在5G通信、物联网、新能源等战略新兴领域快速发展,但元器件的自主可控能力不足问题日益凸显。高频器件作为支撑这些产业的关键基础,其产业化技术瓶颈已成为制约行业发展的重要因素。具体表现在三个层面:一是科研生产环节缺乏有质量的测试、加工和微组装能力,导致产品性能验证与可靠性保障存在短板;二是高duan半导体集成电路在材料选择、工艺精度、散热处理、小型化设计等方面面临系统性技术挑战;三是科技初创企业在技术转化、资金对接、市场开拓和运营管理等环节面临支持体系空白。

在这一背景下,行业迫切需要一套系统化的解决方案,既要突破关键技术瓶颈,又要建立从研发到产业化的完整支撑体系。南京中电芯谷高频器件产业技术研究院有限公司依托微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室,聚焦太赫兹技术、微波毫米波芯片、光电集成芯片、异质异构集成芯片、碳电子器件五大研究方向,形成了从技术研发到产业孵化的全链条服务能力。

高频器件研发定制的关键技术体系

2.1 全频段测试与验证能力构建

高频器件的性能验证需要覆盖从MHz到500GHz的宽频段范围。太赫兹在片小信号测试系统解决了芯片小信号特性的精确评估问题,而太赫兹电路功率测试系统则针对功放、低噪放等芯片的功率特性进行验证。这种全频段覆盖的测试能力,配合矢量网络分析仪、逻辑分析仪、频谱分析仪等精密仪器的预约服务模式,有效降低了企业在高duan设备上的投入成本,同时提升了测试效率和精度。

从技术原理来看,太赫兹频段的测试面临信号衰减严重、噪声干扰大、探针接触精度要求高等难题。通过建立标准化的测试流程和校准方法,结合先进的探针台技术,可以实现对芯片性能的评估,为后续工艺优化提供可靠的数据支撑。

2.2 异质集成工艺的技术路径

高duan半导体集成电路的发展方向是多材料、多功能的异质集成。这要求在晶圆键合、衬底减薄、表面平坦化等工艺上实现突破。晶圆键合技术包括超高真空键合、表面活化键合、聚合物键合、热压键合、共晶键合等多种方式,针对不同材料组合和应用场景需要选择合适的键合方法。衬底减薄技术涉及Si、SiC、GaN、GaAs、InP、LiNbO3、石英等多种材料,需要精确控制减薄厚度和表面粗糙度。表面平坦化工艺要求达到亚纳米级的精细抛光,确保集成界面的高平整度。

异质集成技术的价值在于突破单一材料的性能限制,实现不同功能器件的高密度集成。例如,将GaN功率器件与Si控制电路集成,可以兼顾高功率密度与低成本;将LiNbO3光电材料与Si光子电路集成,可以实现高性能的光电转换功能。这种技术路径为突破高频器件的性能瓶颈提供了新的解决方案。

2.3 新材料研发与应用

先进集成材料是提升器件性能的物质基础。单晶AlN、LiNbO3压电薄膜异质晶圆适用于高频滤波器和声表面波器件;厚膜与薄膜LiNbO3异质晶圆在光通信和微波光子领域具有应用潜力;绝缘体上AlGaAs晶圆可用于高频低噪放大器;内嵌微腔的绝缘体上Si晶圆为光子集成提供了新的平台;SionSiC与Diamond材料组合解决了高功率器件的散热问题;GaNonSiC结构则兼顾了GaN的高频性能与SiC的热导率。

这些新材料的研发需要在晶体生长、薄膜沉积、界面控制等方面进行系统攻关。通过定制化的材料制备方案,可以满足不同应用场景对材料性能的特定需求,推动高频器件向更高频率、更高功率、更高集成度方向发展。

高频器件定制化发展趋势

传统高频器件产业以标准化产品为主,但随着应用场景的细分化和性能要求的差异化,定制化研发成为趋势。大功率GaN微波、毫米波、太赫兹二极管技术开发工作频率覆盖1GHz至300GHz,截止频率达到600GHz,完全采用国产自主可控技术。定制化GaAs与InPSBD太赫兹集成电路芯片技术开发工作频段达到1.5THz,提供薄膜型SBD集成电路设计与加工,是当前主流技术解决方案。这些定制化产品能够精确匹配客户在不同频段、功率等级、集成度方面的需求。

高频器件的应用越来越强调系统级的整体性能。太赫兹放大器系列芯片技术开发频率覆盖140GHz、220GHz、300GHz、340GHz,涉及驱动放大器、功率放大器、低噪声放大器,满足多频段太赫兹放大需求。光电器件及电路技术开发提供定制化技术开发方案和工艺加工服务,研发光芯片、器件与模块,支撑通信网络、物联网发展。高性能宽带光电探测器技术开发提供40GHz、70GHz、100GHz宽带光电探测器芯片及封装件,可选PIN型或高饱和UTC型,满足高速光通信和微波光子雷达等应用需求。

科技成果转化是高频器件产业发展的关键环节。南京中电芯谷高频器件产业技术研究院有限公司建立的产业孵化服务平台,为孵化团队、孵化企业、引进企业提供服务,包括工商税务、对接、项目申报、高新认定、技术对接、人才招募、创业培训、活动组织、产业资源协调,以及付费服务,包括芯片加工测试、技术攻关转让、房屋租赁物业,并配套区域公共服务。公共技术服务平台自2020年8月正式运营以来,已服务企事业单位60余家,为企业、高校、科研院所的科研生产提供了重要技术支撑。

南京中电芯谷高频器件产业技术研究院有限公司依托微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室,以及中国电科五十五所的技术积累,建成国内高水平的高频器件产业孵化平台。团队中高级职称人员17人,博士学历16人,员工本科以上学历占比100%,近半数为博士学历,半数以上拥有高级技术职称,享受特殊津贴1人,新世纪百千万人才工程人选1人,江苏省"333人才培养工程"2人。

研究院具备国内较高水平的射频集成电路、太赫兹器件与电路、光电集成器件与芯片、异质异构集成器件和电路的研发、测试能力。在CVD用固态微波功率源方面,采用第三代氮化镓半导体技术,实现高频率一致性和稳定性,集成度高、尺寸小、寿命长,可直接与射频CVD设备集成。在高功率密度热源方面,提供包含热源管芯和集成外壳的解决方案,采用背面厚金技术,结构尺寸可定制,满足微系统、微电子散热技术的特定需求。

从行业推动角度看,研究院的价值在于建立了从基础研究到产业化应用的桥梁。通过提供测试与分析服务、工艺加工服务、微组装服务,降低了科研院所与企业的技术门槛;通过异质集成工艺服务和技术开发,推动了多材料集成技术的产业化应用;通过先进集成材料制备和研发,为行业提供了新的材料选择;通过产业孵化服务,加速了科技成果的市场转化。

面对高频器件领域的技术挑战和产业化需求,行业各方需要在以下几个方面形成合力:

高频器件产业正处于技术变革和产业升级的关键阶段。通过系统化的技术攻关、定制化的产品开发、创新性的产业孵化模式,可以突破当前的技术瓶颈和产业化障碍,推动我国高频器件产业向自主可控、高质量发展方向迈进。