基于硅集成电路的摩尔定律10年前已近乎走到极限，如何持续提升半导体芯片性能，满足新兴需求，成为行业共同面临的关键问题。突破摩尔定律的主流方向包括探索新兴半导体材料，或通过三维堆叠改变传统芯片的二维结构，提升芯片性能。
在这场半导体行业的摩尔定律“极限挑战”中，一家长三角国家技术创新中心支持的科技创新企业，以第三代半导体材料氮化镓（GaN）为基石，凭借3DIC异质混合集成技术，探索超越摩尔定律的新路径，开辟业务增长新赛道。
汉骅半导体有限公司是长三角国家技术创新中心首个以“拨投结合”模式支持的重大项目公司。创始人顾星表示，在宽禁带半导体领域，中国实现了从追赶到并跑的跨越，与国际领先水平齐头并进。今年10月，依托自研的“超越摩尔GaN Plus”平台，汉骅半导体成功实现8英寸硅基GaN MicroLED（微型发光二极管）外延及多层堆叠技术的量产。“产品已经进入快速通道，我们不仅要在技术上开拓，更要在良率、重复性和可靠性上下功夫。”
汉骅半导体有限公司创始人顾星
3DIC集成超越摩尔定律
以氮化镓、碳化硅等为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高等优点。氮化镓的禁带宽度为3.4eV，是硅的3倍多，因此能够承受更高的电压，特殊的二维电子结构使其适用于快充等高压、高频率场景。在光电领域，通过禁带调控，氮化镓的发光可以覆盖蓝色、绿色、红色可见光光谱。
得益于在功率、光电领域的独特性能，顾星表示，氮化镓已成为传统半导体材料的有益补充，在AI数据中心、微显示、光通讯、高密度功率器件等领域不断突破能力边界。
氮化镓晶圆通常由衬底和外延层两部分构成。衬底是器件的支撑材料，外延层是在衬底上通过特定工艺生长的功能层。蓝宝石、碳化硅等衬底本身不具备特定电学性能，通过MOCVD（金属有机化合物化学气相沉积）设备，在衬底上生长出微米级的氮化镓外延，才能实现宽禁带、高热导率等核心特性，并根据不同器件性能应用于功率电子及MicroLED领域。
在汉骅半导体，技术团队探索构建大尺寸硅基氮化镓材料生长平台，依靠独有的化合物半导体与硅材料混合集成技术实现芯片3DIC异构混合堆叠。他们将基于氮化镓光电材料的功能芯片与基于传统CMOS硅集成电路的驱动芯片异质集成，这种高密度、高精度的集成让氮化镓半导体突破当前传统集成电路的性能水平。
今年10月，汉骅半导体依托自研的“超越摩尔GaN Plus”3DIC平台，成功实现8英寸硅基GaN MicroLED外延及多层堆叠技术IDM的量产。尽管衬底上的氮化镓只有几微米厚，但其中具有上百级的层级，团队通过改进缓冲层结构设计、精确调控量子阱，并减少晶格适配和热适配导致的缺陷，提升晶体质量，以此显著提升8英寸硅基GaN MicroLED外延的发光效率和可靠性。
这些创新不仅让MicroLED的发光效果更好、更稳定，还大大降低了生产成本，为AR（增强现实）微显示带来新发展。平台的应用并不局限于氮化镓材料。顾星介绍，所谓堆叠技术，本质是通过电路构建阵列，快速实现驱动与功能整合，因此材料范围可涵盖发光材料、测序材料、通讯材料等。平台实现半导体芯片间原子层级的精准对接，既可以将不同功能模块与驱动模块灵活组合，又能凭借极致紧密的连接方式减少损耗，实现芯片的高度集成化与小型化。
“我们也基于CMOS和氮化镓功率芯片集成阵列型芯片，实现高效率、极致的能源管理，成为AI时代服务器最好的搭档。最有意义的是很多场景是我们从业人员都想不到的，但永远会有让人兴奋的点出现。”顾星说，这一创新平台打开了想象空间，它可以突破传统器件的性能边界，超越摩尔定律，寻找新兴增长机遇。
把握市场节点迭代升级
一项技术最终要在市面上胜出，都必须经由应用牵引与市场检验。对企业而言，无论技术多么领先，如果无法获得市场认可、实现盈利，便难以持续发展。高科技企业不仅需要一丝不苟地打磨技术与产品，更关键的是要把握市场节点，以需求牵引推动产品迭代升级。
“今年以来，我们国内市场非常火爆，目前国内市场的增长速度远超海外市场，增长主要来自智能眼镜、电源管理、光通讯应用等。”顾星表示，明年智能眼镜将在汉骅业务中占据更大比重。
当前，智能眼镜正打破传统屏幕边界。2025年上半年，全球智能眼镜销量较去年同期增长超一倍。AR微显示屏市场正从OLED（有机发光半导体）和LCoS（硅基液晶）技术向具备超高亮度、超长寿命和极快响应速度的MicroLED技术转型。
顾星介绍，基于氮化镓的MicroLED集成芯片在像素集成密度、日光干扰、刷新频率、功耗四大主要性能上均处于领先地位。目前汉骅半导体在8英寸硅基GaN MicroLED中成功实现3.75μm工艺量产，像素密度达1600 PPI（像素密度单位），支持车用级使用需求，键合成品率高达95%以上。团队还在研发2.5μm工艺，预计明年实现小规模量产，未来2.5μm工艺下的像素密度将提升至2560 PPI，满足高端AR眼镜对超高清显示的需求。
“最先导入市场的是单色显示眼镜，估计明年具备提词器、翻译器的单色显示眼镜会进入量产。”顾星表示，在单色显示的高良率与可控成本基础上，全彩显示是单色显示的进阶升级。汉骅半导体将红、绿、蓝三色MicroLED外延晶圆紧密连接，解决了传统全彩方案像素密度低和封装复杂的问题，加速全彩MicroLED商业化进程。通过3DIC垂直堆叠，像素密度较现有方案提升300%，显示精度实现飞跃，光学引擎及配套模组做到极致小巧，有效缩小芯片体积，适配性更强。
“基于氮化镓材料和3DIC平台的产品已经进入快速通道。我们不仅要在技术上开拓，更要在良率、重复性和可靠性上下功夫。”顾星坦言，今天的汉骅依然有大量工作需要打磨，唯有如此才能在快车道里为下游企业提供关键材料和芯片，和行业共同快速成长。
拨投结合破局初创难题
经过7年技术攻关，如今的汉骅半导体已成功搭建全国首个多维度氮化镓大型技术平台，建成全国最大、覆盖维度最全的氮化镓材料生产基地，实现氮化镓外延片材料量产。
目前汉骅外延片年产量30万片，8英寸3DIC芯片产线月产能2000片。2027年计划将制造精度从500纳米提升到200纳米甚至100纳米。“现在我们的外延生产、芯片生产全程可以在自己的洁净空间内完成。”
但任何卓越技术的诞生都绝非坦途，半导体工艺的发展尤其需要依靠行业知识的长期积累，没有任何捷径可走。顾星在宽禁带半导体领域深耕20年，从2017年创业到2022年首款产品量产，汉骅氮化镓外延落地生根也走过了五年时间。
2015年，彼时尚在海外工作的顾星萌生了回国创业的想法。但半导体创业早期需要大量资金和硬件设备投入，顾星不得不为第一笔资金的来源犯愁。初创团队的普遍做法是寻求社会资本融资，但投资人通常要求持有相当比例的股权。然而持有股份占比过低、话语权不足，初创企业的未来发展方向将受到极大限制。
当时有投资人对顾星提出的合作条件是，团队要在天使轮融资中让渡2/3的股权，这让他陷入两难境地。他既需解决资金问题，更想守护初创团队的话语权。转机出现在2017年秋，一场海外座谈会让他与江苏省产业技术研究院(简称江苏产研院)相遇，一次争分夺秒的“车上路演”，成为项目加速落地的关键转折。
在那场华人科学家座谈会上，顾星遇到了江苏产研院院长刘庆。从刘庆口中他得知了江苏产研院正在着力推动从科技到产业的转化。借着送刘庆一行去机场的机会，顾星在车上做起了“项目路演”，介绍氮化镓材料创业项目的技术特点和应用前景。顾星团队对于技术的专业执着以及创业的热情，深深地打动了刘庆，同时也推动江苏产研院创造性地发明了支持前瞻性引领性技术成果转化的新机制——拨投结合制。2017年，江苏产研院与苏州工业园区共同出资，通过先拨后投、适度收益、适时退出的“拨投结合”模式，支持汉骅半导体落地苏州。
初创团队面对的是新兴涌现的未来市场，攻克的是可靠性的严苛认证，经历着从技术、市场到客户信任的漫长周期。“创业之初我们只想着做出价廉物美的产品，但事实上除了等待合适的市场机会，没有预料到培育生态、建立信任的周期如此漫长。”但顾星认为，正是这段艰难的跋涉，让团队等来了市场的成熟，也等来了意料之外的突破——如今他们的产品不仅应用于功率领域，更进入AR微显示等新兴领域，产品性能已达到世界水平，“中国在宽禁带半导体领域基本可以和国外并驾齐驱。”
“可以说，没有长三角国创中心就没有汉骅。而长三角地区的创新生态为创新企业打开了从技术到市场的双向通道。这里不仅有关键原材料和关键设备等上下游配套，也输送了丰富的人才资源。我们无需在其他地方另设分公司，就能通过区域平台灵活整合各地技术力量，也能为下游企业提供技术咨询。”
依托上海虹桥枢纽的便利交通，有时顾星和刚下飞机的客户“约在虹桥见个面、碰个头”，喝杯咖啡的工夫，生意就谈成了。用于AI电源管理的高密度器件已成为汉骅最新的业务发展方向，这一发展契机同样来自长三角国创中心。在长三角国创中心组织的交流会上，团队捕捉到AI服务器企业面临的技术痛点，探索以氮化镓工艺突破技术瓶颈。“在国创中心构建的体系中，我们获得了非常多的创新资源。我们很庆幸当初的选择，才有了我们的今天。”
·随着背面供电技术的完善和新型2D通道材料的采用，英特尔正致力于继续推进摩尔定律，在2030年前实现在单个封装内集成1万亿个晶体管。
·包括PowerVia背面供电技术、用于先进封装的玻璃基板和Foveros Direct技术预计将在2030年前投产。
12月9日，英特尔在IEDM 2023（2023 IEEE 国际电子器件会议）上展示了使用背面电源触点将晶体管缩小到1纳米及以上范围的关键技术。英特尔表示将在2030年前实现在单个封装内集成1万亿个晶体管。
PowerVia背面供电技术预计将于2024年随Intel 20A制程节点推出。
英特尔表示，其将继续推进摩尔定律的研究进展，包括背面供电和直接背面触点（direct backside contacts）的3D堆叠CMOS晶体管，背面供电研发突破的扩展路径（如背面触点），并在同一块300毫米晶圆上（而非封装）中实现硅晶体管与氮化镓（GaN）晶体管的大规模单片3D集成。
随着遵循摩尔定律的半导体技术不断推进，半导体芯片的集成度越来越高，目前衡量芯片的微观集成密度的单位也从纳米转向埃米（1埃米等于一百亿分之一米，是纳米的十分之一）。
“我们正在进入制程技术的埃米时代，展望‘四年五个制程节点’计划实现后的未来，持续创新比以往任何时候都更加重要。”英特尔公司高级副总裁兼组件研究总经理桑杰·纳塔拉詹（Sanjay Natarajan）表示，“英特尔展示了继续推进摩尔定律的研究进展，这显示了我们有能力面向下一代移动计算需求，开发实现晶体管进一步微缩和高能效比供电的前沿技术。”
据国际数据公司（IDC）预计，全球人工智能硬件市场（服务器）规模将从2022年的195亿美元增长到2026年的347亿美元，五年复合增长率达17.3%。其中，用于运行生成式人工智能的服务器市场规模在整体人工智能服务器市场的占比将从2023年的11.9%增长至2026年的31.7%。
据英特尔透露，包括PowerVia背面供电技术、用于先进封装的玻璃基板和Foveros Direct技术预计将在2030年前投产。
英特尔技术发展总监毛罗·科布林斯基（Mauro Kobrinsky）表示：“摩尔定律推动着更多晶体管的集成，这又推动着更多的层次和更小的导线，增加了复杂性和成本。每一层次都必须提供信号和电源导线，这通常会导致优化妥协和资源争夺，形成互联瓶颈，事情变得越来越具有挑战性。”“背面电源从根本上改变了这种情况，通过在器件的两侧和垂直互连中使用电源过孔。我们明年将能够在半导体Intel 20A（2nm）和18A(1.8nm）中部署这项技术，这意味着在前面减少导线，因此我们可以放宽间距，不再需要进行优化妥协。”
“在电源过孔之外，我们的研究还涉及背面接触，这使我们首次能够连接器件两侧的晶体管。我们已经能够在研究中制造这些接触，并且前后接触无需使用电源过孔进行布线。这使我们能够减小电池的电容，提高性能并降低功耗。”科布林斯基说。
英特尔认为，晶体管微缩和背面供电是满足世界对更强大算力指数级增长需求的关键。随着背面供电技术的完善和新型2D通道材料的采用，英特尔致力于继续推进摩尔定律，在2030年前实现在单个封装内集成1万亿个晶体管。
