第三代半導(dǎo)體材料有何優(yōu)勢(shì)

日前，在紀(jì)念集成電路發(fā)明60周年學(xué)術(shù)會(huì)議上，中科院院士、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)信息科學(xué)部主任、西安電子科技大學(xué)教授郝躍院士做了題為《寬禁帶與超寬禁帶半導(dǎo)體器件新進(jìn)展》的報(bào)告。郝躍院士詳細(xì)講解了第三代半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢(shì)。

郝躍院士首先援引了凱文凱利最新力作《科技想要什么》中所提到的，“目前芯片商的晶體管數(shù)目已經(jīng)足以執(zhí)行人類想要的功能，只是我們不知道要怎么做?！保诙鋭t是“摩爾定律不變的曲線有助于把金錢和智力集中到一個(gè)非常具體的目標(biāo)上，也就是不違背定律。工業(yè)街的每個(gè)人都明白，如果跟不上曲線，就會(huì)落后，這就是一種自驅(qū)動(dòng)前進(jìn)?！比绻柖刹辉僮嘈В蛘邆鹘y(tǒng)硅技術(shù)無法滿足某些需求之時(shí)該怎么辦？這時(shí)候就需要在材料上下功夫。實(shí)際上學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界也一直在找尋新的半導(dǎo)體材料。第一代硅鍺工藝20世紀(jì)50年代就誕生了，之后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(dǎo)體越來越得到重視，其中寬禁帶半導(dǎo)體商用化程度越來越高，包括氮化鎵、碳化硅等，而超寬禁帶半導(dǎo)體包括金剛石、氧化鎵和氮化鋁等研究也有了進(jìn)展。郝躍院士表示，對(duì)于器件來說，既希望有低導(dǎo)通電阻同時(shí)又希望有高擊穿電壓，但這永遠(yuǎn)是矛盾體，所以需要靠材料創(chuàng)新來解決導(dǎo)通電阻和擊穿電壓關(guān)系。

郝躍院士表示，寬禁帶半導(dǎo)體具有高溫、高壓、高電流、低導(dǎo)通電阻以及高開關(guān)頻率等特性，可廣泛應(yīng)用在高壓、高頻、高溫以及高可靠性等領(lǐng)域。郝躍院士表示，氮化物材料體系總的發(fā)展態(tài)勢(shì)非常良好，首先在光電LED領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大成功；微波電子器件領(lǐng)域開始得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在移動(dòng)通信領(lǐng)域和國(guó)防領(lǐng)域（雷達(dá)、電子對(duì)抗、衛(wèi)星通信等。）一、高頻氮化物器件

如圖所示，AiN/GaN的源漏對(duì)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(zhì)量的凹槽半懸空柵技術(shù)，器件的fmax達(dá)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(guó)際GaN基HEMT中最高值。

二、氮化物電力電子器件由于氮化物具有高耐壓及低損耗等特點(diǎn)，已經(jīng)被電力電子應(yīng)用關(guān)注。郝躍院士等人發(fā)表在2018 IEEE EDL上的一個(gè)新結(jié)構(gòu)GaN肖特基微波功率二極管，具有目前最好的BV Ron，sp，更靠近GaN Baliga理論曲線。

三、硅基氮化鎵硅基氮化鎵兼具硅的低成本效應(yīng)以及氮化鎵的高頻高功率特性。

全球氮化鎵相關(guān)公司情況一覽

如圖所示，硅基氮化鎵的未來有兩條路，一條是高功率的模塊化產(chǎn)品，一條是SoC化，集成更多被動(dòng)元件、射頻驅(qū)動(dòng)等。超寬禁帶半導(dǎo)體電子器件而對(duì)于性能更高的諸如金剛石、氧化鎵等器件來說，學(xué)術(shù)界也在進(jìn)一步探討。郝躍院士介紹道，單晶金剛石材料生長(zhǎng)目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)在單個(gè)襯底上生成12mm*11mm*1.5mm的穩(wěn)定單晶金剛石，結(jié)晶質(zhì)量達(dá)到元素六電子級(jí)單晶產(chǎn)品水平，生長(zhǎng)速度大漁20μm/h。郝躍院士表示，金剛石由于原子密度大，摻雜和導(dǎo)電比較困難，所以注意依靠“氫終端表面電導(dǎo)”制備場(chǎng)效應(yīng)管，不過表面電導(dǎo)存在遷移率低、方阻大等問題，同時(shí)也不夠穩(wěn)定，導(dǎo)電隨環(huán)境、濕度、溫度變化，對(duì)酸堿環(huán)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(chǎng)效應(yīng)管的柵極下方引入具有轉(zhuǎn)移摻雜作用的介質(zhì)MoO3，RON降低到同等柵長(zhǎng)MOSFET器件的1/3，跨導(dǎo)提高約3倍。

對(duì)于氧化鎵來說，郝躍院士等人在IEEE Electron Device Letters，2018上發(fā)表的帶場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的氧化鎵SBD，首次實(shí)現(xiàn)BV>3kV，高開關(guān)比10e8-10e9，SBD勢(shì)壘高度1.11eV和理想因子1.25。

最后，郝躍院士用基爾比發(fā)明集成電路和獲得諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)候的照片進(jìn)行對(duì)比，并希望學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界都抓緊現(xiàn)在的機(jī)遇，努力前行?！澳壳皩捊麕О雽?dǎo)體上，國(guó)外公司比如CREE等，已經(jīng)開發(fā)出15000V的IGBT，而在SiC和IGBT方面，國(guó)內(nèi)已有了一定的發(fā)展，但相對(duì)還是緩慢?！焙萝S院士說道。