AAT应用首创！革命性混合维度晶体管：使得集成电路设计更简单【附全球半导体技术赛道观察图谱】

瞻观前沿

包括晶体管在内的电子元件的小型化已进入停滞状态，这给半导体的生产带来了障碍。尽管如此，由香港城市大学(CityUHK)材料科学专家领导的一组研究人员推出了一种新方法，利用混合维度晶体管的半导体技术突破性方法。这项创新为更高效、高性能的电子产品铺平了道路，克服了传统缩小尺寸的挑战，并突显了向先进多功能集成电路的重大飞跃。这一突破使得芯片电路设计变得更加容易，并促进未来灵活且节能的电子设备的发展。

多值逻辑 (MVL) 已成为克服不断增加的功耗的一项有前途的技术。它通过大大减少晶体管元件及其互连的数量，超越了传统二进制逻辑系统的限制，从而实现了更高的信息密度和更低的功耗。人们致力于构建各种多值逻辑器件，包括反双极晶体管(AAT)。

反双极性器件是一类晶体管，其中正(空穴)和负(电子)电荷载流子可以在半导体沟道内同时传输。然而，现有的基于AAT的器件主要利用2D或有机材料，这对于大规模半导体器件集成来说不稳定。此外，它们的频率特性和能源效率也很少被探索。

为了解决这些限制，由香港城市大学协理副校长(企业)兼材料科学与工程学系副系主任Johnny Ho教授领导的研究团队开始研究开发具有更高信息量的基于抗双极性器件的电路密度和互连较少，并探讨它们的频率特性。该团队创建了一种先进的化学气相沉积技术来创建一种新型的混合维度异质晶体管，该晶体管结合了高质量 GaAsSb 纳米线和 MoS 2纳米片的独特性能。

新型反双极晶体管具有卓越的性能。由于混合维GaAsSb/MoS 2结的强界面耦合和能带结构排列特性，异质晶体管具有突出的跨导翻转的抗双极性传输特性。跨导的翻转使响应输入模拟电路信号的频率加倍，与 CMOS 技术中的传统倍频器相比，大大减少了所需的器件数量。香港城市大学Johnny Ho教授表示：“我们的混合维反双极晶体管可以同时实现多值逻辑电路和倍频器，这使其成为反双极晶体管应用领域的首创。”

Johnny Ho教授说：“我们的研究结果表明，混合维度反双极性器件使芯片电路设计能够具有高信息存储密度和信息处理能力。 到目前为止，半导体行业的大多数研究人员都专注于器件小型化，以保持摩尔定律的运行。但反双极性器件的出现显示了现有基于二进制逻辑的技术的相对优势。这项研究开发的技术代表着向下一代多功能集成电路和电信技术迈出了一大步。该研究还为进一步简化复杂的集成电路设计以提高性能提供了可能性。”

图片来源：Johnny Ho 教授的研究小组/香港城市大学

技术价值观察

半导体产业链具体包括上游半导体原材料与设备供应、中游半导体产品制造和下游应用。其中，半导体材料处于上游供应环节，材料品类繁多，按制造流程可细分为前端制造材料和后端封装材料。半导体设备，即在芯片制造和封测流程中应用到的设备，广义上也包括生产半导体原材料所需的机器设备。在整个芯片制造和封测过程中，会经过上千道加工工序，涉及到的设备种类大体有九大类，细分又可以划出百种不同的机台，占比较大市场份额的主要有：光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备、离子注入机、测试机、分选机、探针台等。半导体产业下游应用领域包括网络通信、计算机、消费电子、工业控制、汽车电子等。

晶体管是一种半导体材料，科学专家开发出混合维度晶体管，使得芯片电路设计变得更加容易。因此，从半导体产业链上看，该技术处于产业链的中游环节。

宏观市场观察

——全球半导体行业经历了三次迁移

自发展以来，全球半导体产业格局在不断发生变化。当前，全球半导体产业正在经历第三次产能转移，行业需求中心和产能中心逐步向中国大陆转移。

——全球半导体行业规模

2017-2021年全球半导体行业市场规模波动变化，2019年存储芯片市场下滑严重导致全球半导体市场规模出现下降，2020年以来恢复增长。根据美国半导体产业协会(SIA)发布数据，2021年达到5559亿美元，较2020年增长26%。

——全球半导体设备市场规模

随着全球半导体市场的繁荣发展，半导体设备需求也在增长。2021年全球半导体设备市场规模达到1030亿美元，较2020年增长42.24%。SEMI预测，2022年全球半导体设备市场规模将达到1180亿美元。

——晶圆制造设备占据主流

2021年全球半导体设备市场中，晶圆制造设备市场规模占比超过85%，而封装和测试设备市场规模占比均在7%左右。

——全球半导体材料规模区域分布

从需求来看，根据国际半导体产业协会(SEMI)的数据，2021年全球半导体材料主要分布在亚洲、北美和欧洲地区。2021年中国半导体材料市场总规模为266.4亿美元(中国大陆+中国台湾)，占世界总规模超过40%，成为世界第一大半导体材料消费国，韩国、日本紧随其后。

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