來源:化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)博覽會CSE

在全球科技快速發(fā)展的今天，電子器件正朝著更高速、更高功率和更小尺寸的方向不斷邁進(jìn)。傳統(tǒng)的硅基技術(shù)雖然在過去幾十年中取得了巨大成功，但在面對新興應(yīng)用如5G通信、電動汽車和高效能源轉(zhuǎn)換時，逐漸顯現(xiàn)出其局限性。為了滿足這些高性能需求，化合物半導(dǎo)體材料如氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等應(yīng)運而生，它們以其卓越的電學(xué)特性，為新一代電子設(shè)備提供了無限可能。

然而，隨著化合物半導(dǎo)體器件復(fù)雜性和性能要求的不斷提高，設(shè)計師們面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。每種材料都有其獨特的行為模式和應(yīng)用場景，從高頻放大器到大功率開關(guān)，再到耐高溫電力電子元件，這不僅需要深厚的專業(yè)知識，也對電子設(shè)計自動化（EDA）工具提出了極高的靈活性和適應(yīng)性要求。在這樣的背景下，如何利用先進(jìn)的EDA技術(shù)來優(yōu)化設(shè)計流程、提高產(chǎn)品質(zhì)量，并加速新產(chǎn)品推向市場，成為了整個行業(yè)共同關(guān)注的焦點。

2025年4月23-25日，2025九峰山論壇暨化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)博覽會也將在武漢光谷科技會展中心再次啟航，誠摯邀請全球化合物半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的專家學(xué)者、行業(yè)領(lǐng)航者及創(chuàng)新先鋒，十大平行論壇報告征集方向等您來“論”道，攜手點亮化合物半導(dǎo)體行業(yè)的輝煌未來！

挑戰(zhàn)接踵而至

相比于傳統(tǒng)的硅器件，化合物半導(dǎo)體種類繁多，每種材料都有其特定的應(yīng)用場景和物理特性。例如，GaAs是高頻放大器應(yīng)用的理想選擇，GaN則在微波射頻及光電子器件中展現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)勢，SiC由于其卓越的耐高溫、高電壓和高頻率特性，使其在電力電子領(lǐng)域，尤其是在需要承受極端條件的應(yīng)用中得到了廣泛的認(rèn)可與采用。除了材料本身的特點外，基于這些材料制造出來的器件也可能采用多種結(jié)構(gòu)形式每種類型的器件都擁有自己特定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，因此需要建立相應(yīng)的模型來進(jìn)行精確仿真。面對如此豐富的選擇，設(shè)計師們需要處理多種類型的器件模型，這不僅要求他們具備深厚的專業(yè)背景，還對所使用的EDA工具提出了極高的靈活性和適應(yīng)性要求。

由于化合物半導(dǎo)體常用于高功率、高速度或極端環(huán)境下的工作條件，因此在其版圖設(shè)計時必須考慮更多因素，如熱管理、電磁兼容性等。某些特殊應(yīng)用場景下可能還需要采用非常規(guī)的幾何結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)特定功能，比如利用復(fù)雜的三維堆疊技術(shù)來優(yōu)化空間利用率。這種情況下，現(xiàn)有的許多EDA軟件雖然已經(jīng)相當(dāng)成熟，但在處理此類復(fù)雜圖形方面仍存在不足之處。

同時，化合物半導(dǎo)體的版圖設(shè)計也將涉及到一些不規(guī)則或特殊結(jié)構(gòu)的形狀，這些形狀與傳統(tǒng)的規(guī)則版圖設(shè)計有很大的不同。例如，在新型光電顯示領(lǐng)域，電路連線可能不是90°或45°的規(guī)則形狀，甚至寬度還有變化的任意形狀的版圖設(shè)計。這種復(fù)雜幾何形狀的設(shè)計給EDA工具提出了更高的要求，需要能夠處理這些不規(guī)則形狀的版圖設(shè)計，并且保證設(shè)計的準(zhǔn)確性和可靠性。

考慮到化合物半導(dǎo)體器件往往需在惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定運行，其可靠性問題也尤為突出。特別是在大電流、高電壓條件下工作的設(shè)備，任何細(xì)微的設(shè)計缺陷都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，在設(shè)計階段就必須充分評估各種潛在故障模式及其影響，并采取相應(yīng)措施加以預(yù)防。這就要求EDA平臺具備強大的可靠性分析能力，能夠提供全面的風(fēng)險評估報告。

還有一類更為急迫的挑戰(zhàn)，即個性化設(shè)計的需求。企業(yè)希望能夠快速響應(yīng)客戶定制化需求，開發(fā)出具有競爭力的產(chǎn)品。為此，理想的EDA解決方案應(yīng)當(dāng)支持高度可配置的工作流程，允許用戶根據(jù)具體項目特點靈活調(diào)整各項參數(shù)設(shè)置，從而縮短產(chǎn)品上市時間。此外，對于一些前沿研究項目而言，傳統(tǒng)EDA工具可能無法滿足其特殊需求，這就需要供應(yīng)商能夠提供更加個性化的服務(wù)。

為化合物半導(dǎo)體量體裁衣

面對更復(fù)雜、更高性能的化合物半導(dǎo)體器件，EDA廠商也在不斷更新其工具，以更好地支持化合物半導(dǎo)體的設(shè)計流程。華大九天、Keysight等國內(nèi)外廠商均開發(fā)出較為完善的器件模型和參數(shù)提取工具，能夠處理復(fù)雜模型和參數(shù)帶來的挑戰(zhàn)，確保電路仿真的高效性和準(zhǔn)確性。

華大九天的射頻模型提取工具Empyrean XModel?RF為用戶提供了高效的射頻模型提取解決方案，支持射頻GaAs HEMT器件、射頻GaAs HBT器件、射頻GaN HEMT等不同類型的器件模型提取。該建模工具能夠精確描述不同類型材料的行為特征。例如，對于GaN HEMT，通過引入先進(jìn)的物理模型可以更好地反映其在高頻條件下的表現(xiàn)。

Keysight公司與Modelithics合作，為GaN晶體管提供了廣泛的非線性模型庫。這些模型能夠幫助設(shè)計師在電路中準(zhǔn)確預(yù)測GaN晶體管的性能，從而提高設(shè)計的成功率和結(jié)果質(zhì)量。例如，Modelithics與Qorvo合作開發(fā)了包含70多種Qorvo GaN晶體管的非線性模型庫，這些模型可以無縫集成到該公司的ADS產(chǎn)品中。

在處理復(fù)雜模型和參數(shù)時，EDA工具面臨的主要挑戰(zhàn)之一是模型的復(fù)雜性。隨著集成電路設(shè)計的復(fù)雜程度提升，器件模型需要足夠復(fù)雜以準(zhǔn)確反映元器件的電學(xué)特性，同時又需要簡化以便進(jìn)行數(shù)值求解，從而壓縮仿真時間為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，一些公司開發(fā)了獨特的電路仿真技術(shù)，如華大九天的ALPS工具，通過大規(guī)模矩陣智能求解技術(shù)，支持?jǐn)?shù)千萬器件規(guī)模的電路仿真，顯著提升了仿真性能。

物理場仿真在化合物半導(dǎo)體的制造和研究中也扮演著至關(guān)重要的角色。特別是多物理場仿真技術(shù)，其通過模擬半導(dǎo)體制造過程中的各種物理現(xiàn)象，幫助工程師優(yōu)化設(shè)計、提高產(chǎn)品質(zhì)量，并加速產(chǎn)品研發(fā)。例如，COMSOL Multiphysics平臺能夠模擬半導(dǎo)體制造過程中的電、熱、力、流體等多物理效應(yīng)及其相互作用。在化合物半導(dǎo)體的制造過程中，其可以用于模擬 SiC 外延生長、快速熱退火、砷化鎵化學(xué)氣相沉積等工藝。在國內(nèi)，湖北九同方微電子公司正在將其適合硅基半導(dǎo)體的電磁場仿真軟件高效地拓展到化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域，以支持科研、設(shè)計及生產(chǎn)機構(gòu)對化合物半導(dǎo)體研發(fā)的需求。

在特定應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)化開發(fā)中，EDA工具展現(xiàn)出了其不可替代的重要性。特別是在光電領(lǐng)域，在光電領(lǐng)域，Luceda公司的IPKISS平臺為光子集成電路設(shè)計提供了完整的流程，其中包括預(yù)定義的布線、版圖和線路仿真算法。其包括IP Manager模塊，用于測試和驗證光子 IP 構(gòu)建模塊以及專門針對陣列波導(dǎo)光柵（AWG）的設(shè)計模塊。此外，Luceda還擁有廣泛的工藝設(shè)計套件（PDK），涵蓋硅、氮化硅（SiN）、鈮酸鋰（LNOI）、磷化銦（InP）和氧化鋁等各種材料平臺。

隨著市場競爭的日益激烈，企業(yè)紛紛尋求差異化的競爭策略，以在市場中脫穎而出。在這種背景下，提供個性化的服務(wù)和支持變得尤為關(guān)鍵。領(lǐng)先的EDA供應(yīng)商正積極響應(yīng)這一需求，通過加大研發(fā)投入，致力于構(gòu)建更加開放和靈活的平臺架構(gòu)。這些供應(yīng)商與客戶緊密合作，收集并整合反饋意見，持續(xù)迭代和更新產(chǎn)品，確保最終提供的解決方案能夠精準(zhǔn)契合特定應(yīng)用場景的需求。

例如，在汽車電子領(lǐng)域，針對高壓快充系統(tǒng)中的碳化硅（SiC）二極管，廠商專門開發(fā)了定制化的測試套件。這些套件不僅有效降低了研發(fā)成本，還加速了量產(chǎn)進(jìn)程，使得新產(chǎn)品能夠更快地推向市場。通過這種方式，EDA供應(yīng)商不僅增強了客戶的競爭力，也鞏固了自身在市場中的領(lǐng)導(dǎo)地位。

這種個性化服務(wù)模式不僅限于汽車電子領(lǐng)域，它適用于各個行業(yè)，幫助企業(yè)在復(fù)雜多變的市場環(huán)境中保持競爭優(yōu)勢。領(lǐng)先的EDA供應(yīng)商通過不斷優(yōu)化其工具和服務(wù)，支持客戶實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和快速響應(yīng)市場需求的能力，從而推動整個行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。

只有變革才是唯一方向

化合物半導(dǎo)體器件在進(jìn)步，EDA也正經(jīng)歷著一系列深刻變革，旨在為這一領(lǐng)域提供更高效的自動化設(shè)計流程、更廣泛的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)支持和更為強大的仿真能力。

首先，云計算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的進(jìn)步正在重塑EDA平臺的發(fā)展方向。未來的EDA工具將更加智能化和云端化，用戶可以借助互聯(lián)網(wǎng)輕松訪問全球領(lǐng)先的計算資源，擺脫本地硬件限制。基于人工智能（AI）的學(xué)習(xí)算法將進(jìn)一步融入EDA工具中，實現(xiàn)智能設(shè)計建議生成、自動錯誤檢測等功能，大幅提高設(shè)計效率和準(zhǔn)確性。這種轉(zhuǎn)變不僅簡化了工作流程，還促進(jìn)了跨區(qū)域團(tuán)隊間的協(xié)作，使得復(fù)雜的化合物半導(dǎo)體設(shè)計變得更加便捷和高效。

其次，不同EDA工具間缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換格式是制約行業(yè)發(fā)展的一大瓶頸。為了打破這一壁壘，業(yè)界正積極致力于制定和完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。未來幾年內(nèi)，我們有望見證更多具備強大跨平臺兼容性和易于集成特性的標(biāo)準(zhǔn)出臺，這將有助于構(gòu)建一個更加開放、共贏的生態(tài)系統(tǒng)。統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)不僅能促進(jìn)工具之間的無縫銜接，還能加速新技術(shù)的采納和傳播，進(jìn)一步推動整個行業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。

第三，持續(xù)改進(jìn)的仿真算法將繼續(xù)提升EDA工具對化合物半導(dǎo)體器件的預(yù)測精度和仿真速度。特別是針對這類材料特有的非線性效應(yīng)、溫度依賴性等問題，新的數(shù)值方法和技術(shù)手段將不斷涌現(xiàn)。這些進(jìn)步能夠提供更為準(zhǔn)確可靠的仿真結(jié)果，幫助工程師更好地理解并優(yōu)化設(shè)計。此外，隨著量子計算等前沿科技的發(fā)展，EDA工具有可能能夠模擬原子層面的物理過程，開啟全新的設(shè)計范式，從根本上革新化合物半導(dǎo)體的設(shè)計方法。

最后，EDA技術(shù)作為連接理論研究與實際應(yīng)用的關(guān)鍵紐帶，在推動化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中扮演著不可或缺的角色。它不僅解決了傳統(tǒng)設(shè)計方法難以應(yīng)對的挑戰(zhàn)，還為企業(yè)提供了強有力的技術(shù)支撐。通過不斷創(chuàng)新和發(fā)展，EDA工具正在助力化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域克服諸多技術(shù)難題，如高頻特性、高功率密度等，并為新一代通信、能源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域提供堅實的基礎(chǔ)。

展望未來，EDA將在化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，不僅提高了設(shè)計效率和產(chǎn)品質(zhì)量，還將加速新產(chǎn)品的研發(fā)周期，助力整個行業(yè)邁向更高的發(fā)展階段。通過智能化、標(biāo)準(zhǔn)化和仿真的全面提升，EDA技術(shù)將繼續(xù)引領(lǐng)化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)走向新的輝煌。