盤點寬禁帶與超寬禁帶半導體器件最新進展
2021-01-09 電子發燒友胡薇 發表於 2018-10-22 16:49:01
為紀念集成電路發明60周年，由中國電子學會、國家自然科學基金委員會信息科學部、中國科學院信息技術科學部、中國工程院信息與電子工程學部共同主辦的「紀念集成電路發明60周年學術會議」於10月11日在清華大學舉行。 60年的集成電路發展史，實質上是一部不斷發明、不斷創新的文明史，每一項新的發明，都能夠開闢一片全新的應用領域。隨著集成電路加工技術的進步，如今，在1平方釐米的矽片上已經可以集成超過50億個電晶體，成為可以把信息採集、信息存儲、信息處理、信息傳輸和信息執行於一身的、眾所周知的「晶片」。如今，晶片與軟體一起，正在改變著我們的生產方式和生活方式，當之無愧地成為推進經濟高質量發展和保障國家安全的關鍵核心技術，成為大國之間角逐的核心競爭力。
中科院院士、國家自然科學基金委員會信息科學部主任、西安電子科技大學教授郝躍院士做了題為《寬禁帶與超寬禁帶半導體器件新進展》的報告。郝躍院士詳細講解了第三代半導體材料的優勢。郝躍院士首先援引了凱文凱利最新力作《科技想要什麼》中所提到的，「目前晶片商的電晶體數目已經足以執行人類想要的功能，只是我們不知道要怎麼做。」，第二句則是「摩爾定律不變的曲線有助於把金錢和智力集中到一個非常具體的目標上，也就是不違背定律。工業街的每個人都明白，如果跟不上曲線，就會落後，這就是一種自驅動前進。」
如果摩爾定律不再奏效，或者傳統矽技術無法滿足某些需求之時該怎麼辦？這時候就需要在材料上下功夫。實際上學術界和產業界也一直在找尋新的半導體材料。第一代矽鍺工藝20世紀50年代就誕生了，之後磷化銦和砷化鎵工藝在80年代誕生，如今第三代寬禁帶與超寬禁帶半導體越來越得到重視，其中寬禁帶半導體商用化程度越來越高，包括氮化鎵、碳化矽等，而超寬禁帶半導體包括金剛石、氧化鎵和氮化鋁等研究也有了進展。
郝躍院士表示，對於器件來說，既希望有低導通電阻同時又希望有高擊穿電壓，但這永遠是矛盾體，所以需要靠材料創新來解決導通電阻和擊穿電壓關係。
郝躍院士表示，寬禁帶半導體具有高溫、高壓、高電流、低導通電阻以及高開關頻率等特性，可廣泛應用在高壓、高頻、高溫以及高可靠性等領域。
郝躍院士表示，氮化物材料體系總的發展態勢非常良好，首先在光電LED領域已經取得了巨大成功；微波電子器件領域開始得到了廣泛應用，尤其是在移動通信領域和國防領域（雷達、電子對抗、衛星通信等。）
一、高頻氮化物器件
如圖所示，AiN/GaN的源漏對稱，頻率均可到400GHz以上，因此非常適合THz研究。
郝躍院士介紹了西電320GHz毫米波器件，利用高界面質量的凹槽半懸空柵技術，器件的fmax達320GHz，在輸出功率密度一定的情況下，功率附加效率在30GHz頻率下為目前國際GaN基HEMT中最高值。
二、氮化物電力電子器件
由於氮化物具有高耐壓及低損耗等特點，已經被電力電子應用關注。郝躍院士等人發表在2018 IEEE EDL上的一個新結構GaN肖特基微波功率二極體，具有目前最好的BV Ron，sp，更靠近GaN Baliga理論曲線。
三、矽基氮化鎵
矽基氮化鎵兼具矽的低成本效應以及氮化鎵的高頻高功率特性。
全球氮化鎵相關公司情況一覽
如圖所示，矽基氮化鎵的未來有兩條路，一條是高功率的模塊化產品，一條是SoC化，集成更多被動元件、射頻驅動等。
四、超寬禁帶半導體電子器件
而對於性能更高的諸如金剛石、氧化鎵等器件來說，學術界也在進一步探討。
郝躍院士介紹道，單晶金剛石材料生長目前已經可以實現在單個襯底上生成12mm*11mm*1.5mm的穩定單晶金剛石，結晶質量達到元素六電子級單晶產品水平，生長速度大漁20μm/h。
郝躍院士表示，金剛石由於原子密度大，摻雜和導電比較困難，所以注意依靠「氫終端表面電導」製備場效應管，不過表面電導存在遷移率低、方阻大等問題，同時也不夠穩定，導電隨環境、溼度、溫度變化，對酸鹼環境都比較敏感。
但是，金剛石的特性非常之好，在氫終端金剛石場效應管的柵極下方引入具有轉移摻雜作用的介質MoO3，RON降低到同等柵長MOSFET器件的1/3，跨導提高約3倍。
對於氧化鎵來說，郝躍院士等人在IEEE Electron Device Letters，2018上發表的帶場板結構的氧化鎵SBD，首次實現BV>3kV，高開關比10e8-10e9，SBD勢壘高度1.11eV和理想因子1.25。
最後，郝躍院士用基爾比發明集成電路和獲得諾貝爾獎時候的照片進行對比，並希望學術界和產業界都抓緊現在的機遇，努力前行。「目前寬禁帶半導體上，國外公司比如CREE等，已經開發出15000V的IGBT，而在SiC和IGBT方面，國內已有了一定的發展，但相對還是緩慢。」郝躍院士說道。
會上王陽元院士、許居衍院士、 盧超群院士、王曦院士、劉明院士等多位重量級嘉賓分別以「創新鐫刻青史，探索孕育未來——紀念六十年 展望一世紀」、「迎接可重構晶片浪潮」、「科技創智將引領指數型經濟成長：IC4.0加乘PI/AI之新紀元」、「智能傳感器技術及產業發展趨勢」、「半導體存儲器技術」為題做了精彩的主題報告。
會上還進行了2場圓桌對話。魏少軍教授主持的對話主題為「集成電路發展趨勢」，陳左寧院士，郝躍院士，盧超群院士，嚴曉浪教授作為對話嘉賓，交流和分享了各自對於集成電路發展的觀點。
嚴曉浪教授主持的對話主題為「集成電路人才培養與智慧財產權」，丁文武總裁、北京大學軟體與微電子學院院長張興教授，清華大學王志華教授，瀾起科技楊崇和董事長作為對話嘉賓，分別從各自角度探討了集成電路領域人才培養和智慧財產權的問題。
此外，來自27所國家支持建設和支持籌備建設的示範性微電子學院的高校代表，全國高等院校集成電路相關專業師生，有關政府部門、科研機構、企業和金融機構、媒體等代表，近800人出席了本次學術會議。
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