此時此刻，半導體行業(yè)理所當然地關注著摩爾定律即將發(fā)生的變化，這個著名的技術(shù)預測奠定了微電子時代驚人進步的基礎，以及它對硅芯片技術(shù)持續(xù)進步和主導地位的潛在影響。這意味著考慮微系統(tǒng)的歷史中的另一個卓有遠見的觀點是值得的。當新生的高級研究計劃局（DARPA）在1959年度過一周年紀念日時，加州理工學院的理查德·費曼（Richard Feynman）教授發(fā)表了他最著名、最重要的演講之一，題為“在底部還有很大空間”。
同戈登·摩爾一樣，費曼也預測到了微尺度系統(tǒng)內(nèi)的許多技術(shù)進步機會。然而，費曼的觀點更為寬泛，強調(diào)了在原子尺度上操縱結(jié)構(gòu)的能力所帶來的奇特可能性。DARPA在將包括半導體在內(nèi)的許多“奇異”結(jié)構(gòu)帶入現(xiàn)實生活的過程中發(fā)揮了核心作用，其能力超越了半個世紀以來硅電子所取得的二進制處理能力。
費曼的演講在20世紀80年代激發(fā)了人們對納米技術(shù)的興趣，因為他對納米技術(shù)的推測以及在原子尺度上定制材料的能力正逐步實現(xiàn)。當時，新興的晶體生長技術(shù)正在創(chuàng)造一種稱為復合半導體的材料，在這種材料中，精確的化學成分或合金可以在原子水平上逐層變化。特別是GaAs及其合金作為新的神奇材料出現(xiàn)，使晶體管的性能遠遠超過硅的極限。DARPA發(fā)現(xiàn)新型GaAs晶體管具有更快速移動電子的潛力，從而可以在電磁頻譜的更高頻率上工作。雖然這項新技術(shù)不會在高度集成的數(shù)字邏輯上取代硅技術(shù)，但DARPA預計其價值將推動下一代雷達和通信系統(tǒng)的發(fā)展。為此，DARPA在1988年從國防部長辦公室（OSD）手中接過了指揮棒，開始了“微波和毫米波集成電路（MIMIC）”計劃，該計劃于兩年前由OSD提出。
DARPA的MIMIC技術(shù)，特別是由它產(chǎn)生的集成技術(shù)，使國防部能夠制造出無線電和雷達系統(tǒng)，以比先前任何時候都更高的頻率和帶寬使用頻譜。
2018年3月11日，美國空軍一架F-16C獵鷹戰(zhàn)斗機在阿富汗上空同KC-135同溫層加油機補給完畢后，起飛返回巡邏區(qū)域。這架飛機的聯(lián)合直接攻擊彈藥的核心是通過DARPA的MIMIC計劃開發(fā)的高性能芯片，這種芯片也使得精確武器所需的RF和毫米波電路成為可能。
一名第10山地師步兵旅戰(zhàn)斗隊3-6 FA的士兵駕駛著新型精密火力拆卸系統(tǒng)，該系統(tǒng)讓士兵可以通過一個應用程序在已批準的智能手機上觀看無人機上的實時流媒體全動態(tài)視頻。世界范圍內(nèi)普遍使用的手機技術(shù)部分歸功于DARPA資助研究的GaAs半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
MIMIC計劃一直持續(xù)到1995年，對工業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響，它尋求開發(fā)將高頻材料和組件集成到軍事相關技術(shù)（如無線電和雷達）中的方法和手段，并建立可靠的工業(yè)基地完成這些事情。實際上，MIMIC計劃可以實現(xiàn)GaAs晶體管技術(shù)，從而產(chǎn)生一類新的RF“前端”組件。射頻系統(tǒng)的前端是在電磁頻譜中發(fā)送和接收信號的放大技術(shù)。DARPA的MIMIC技術(shù)，特別是其中出現(xiàn)的集成技術(shù)，使得國防部（DOD）能夠制造出比以往任何時候都能在更高頻率和帶寬上接入頻譜的無線電和雷達系統(tǒng)。GaAs技術(shù)在國防部系統(tǒng)中的應用一直持續(xù)到今天。
除了國防應用之外，高頻GaAs放大器為商業(yè)界提供了一個關鍵的拼圖，因為商業(yè)界在上世紀90年代尋求建立新的移動電話技術(shù)。GaAs晶體管使得裝有小電池的手提電話能夠建立與發(fā)射塔的關鍵通信鏈路。直到今天，每一部智能手機都包含一小部分GaAs來執(zhí)行這一關鍵功能，而且由于DARPA對MIMIC計劃的投資，美國在這個價值數(shù)十億美元的半導體行業(yè)的供應商中享有占據(jù)主導地位。
GaAs技術(shù)的成功證明了硅之外的半導體技術(shù)的防御意義和商業(yè)可行性，并將一種曾經(jīng)新奇的研究材料變成了一種商品技術(shù)。然而，即使GaAs正在逐漸成熟，但由美國海軍研究辦公室（ONR）和其他機構(gòu)贊助的研究人員已經(jīng)開始發(fā)現(xiàn)半導體材料的下一個飛躍。寬帶隙半導體（WBGS）材料被認為是很有前途的，因為它們能像GaAs那樣快速移動電子，同時也能處理大電場。這種高電流和高電壓的結(jié)合驅(qū)動了提供更多RF功率的能力。雖然世界各地也正在開發(fā)幾種候選材料，但DARPA認為GaN及其合金最有前途，并且建立了寬帶隙半導體射頻（WBGS-RF）計劃來快速推進這項技術(shù)。
WBGS-RF計劃試圖將尚未經(jīng)證實的有潛力的材料成熟化，使之成為可以促進國防事業(yè)的工業(yè)技術(shù)。該計劃于21世紀初啟動，最初采用GaN材料，用直徑2英寸的小型半導體晶圓承載，晶圓上有大量微管或孔洞，形如瑞士奶酪。在這種不順利的狀態(tài)下，WBGS-RF計劃系統(tǒng)地解決了材料方面的挑戰(zhàn)，然后逐步成功地承擔了器件和電路設計方面的挑戰(zhàn)。最終，GaN技術(shù)實現(xiàn)了它的承諾，現(xiàn)在正被用于下一代雷達技術(shù)，如海軍的空中和導彈防御雷達（AMDR）。除此之外，還有更多的事情要做：GaN現(xiàn)在是所有主要RF半導體公司的技術(shù)組合的一部分。美國再次在這個新興市場中占據(jù)主導地位。
DARPA的努力使得復合半導體從研究邊緣發(fā)展成為主流半導體產(chǎn)業(yè)。DARPA還推動主流硅技術(shù)采用包括硅合金在內(nèi)的變體。特別值得一提的是，硅與鍺的組合是DARPA在21世紀初支持的“高效、敏捷的微系統(tǒng)技術(shù)(TEAM)”計劃所倡導的技術(shù)。鍺（Ge）是1947年貝爾實驗室制造的晶體管的材料基礎；然而，由于鍺的可靠性問題和硅的加工優(yōu)勢，鍺很快就被拋棄，人們轉(zhuǎn)而青睞硅。讓鍺回歸的理由是，盡管它本身沒有用，但是包含Ge與Si或SiGe混合的材料使得具有增強RF性能的器件的原子級工程可以直接構(gòu)建高密度的傳統(tǒng)硅邏輯器件。這種技術(shù)不具備GaAs和GaN等其他復合半導體的完整性能優(yōu)勢，但它有能力生產(chǎn)混合模擬和數(shù)字功能的芯片。事實證明，這種特性非常有用，SiGe技術(shù)現(xiàn)在已成為為本地WiFi放大器等應用提供低功耗商用解決方案的主導，現(xiàn)在有望為5G通信提供相控陣系統(tǒng)。
GaAs、GaN和SiGe晶體管技術(shù)的這些引人注目的成功證明了通過在原子尺度上操縱晶體結(jié)構(gòu)可能實現(xiàn)的持續(xù)創(chuàng)新。然而，即使這些努力也是在硅半導體領域建立的相對容易理解的晶體管物理范例內(nèi)進行的。微系統(tǒng)更廣泛的前沿領域已經(jīng)超越了材料的電子特性，正如在此過程中出現(xiàn)的一些更奇特的技術(shù)所說明的那樣。例如，DARPA在21世紀初進行了一系列計劃，利用半導體加工來制造可移動和彎曲的微小結(jié)構(gòu)，而不僅僅是傳導電子，支持了微型機電系統(tǒng)（MEMS）的發(fā)展。MEMS技術(shù)在DARPA的支持下蓬勃發(fā)展，如今已發(fā)展成為一個價值數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)。MEMS運動傳感器和執(zhí)行器是安全氣囊保護系統(tǒng)、導航，以及游戲產(chǎn)品的核心，甚至是在影院屏幕上投射電影的內(nèi)含數(shù)百萬個的微鏡的數(shù)字微鏡芯片。
近年來，DARPA率先利用所謂的相變材料來制造RF開關，這種開關通過材料晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換來操作，而不是通過傳統(tǒng)的晶體管動作。這種大規(guī)模轉(zhuǎn)換到另一種物理基礎和用于數(shù)字切換的材料，讓太赫茲頻段的RF開關的演示成為可能，太赫茲頻段是手機操作頻率的1000倍左右。
在DARPA的持續(xù)投資下，半導體技術(shù)層出不窮，它們強化了費曼關于微系統(tǒng)領域存在的廣泛機會的觀點。雖然這些微米和納米的景觀已經(jīng)不是DARPA成立時的樣子，但是在底部還有很大空間！
▲?2英寸單晶GaAs晶圓，紫色是橡膠手套的反射。
▲?DARPA的GaN-on-diamond高電子遷移率晶體管（HEMT）表現(xiàn)出了改進的熱性能，可以為RF系統(tǒng)帶來更好的性能。
▲?密歇根大學受DARPA資助的研究人員在定時和慣性測量單元（TIMU）方面取得了重大進展，該單元包含了暫時無法使用GPS時所需的一切輔助導航。單芯片TIMU原型包含六軸IMU（三個陀螺儀和三個加速度計），并將高度精確的主時鐘集成到比一美分硬幣還小的微型系統(tǒng)中。這個IMU芯片集成了突破性器件（時鐘、陀螺儀和加速度計）、材料，以及DARPA的“用于定位導航授時的微技術(shù)(Micro-PNT)”計劃中的設計。
來源：半導體行業(yè)觀察