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微電子技術(shù)顯著推動(dòng)了信息化社會(huì)的發(fā)展，以氮化鎵和碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體與氧化鎵和金剛石為代表的超寬禁帶半導(dǎo)體是繼硅和砷化鎵之后的第三代半導(dǎo)體材料。這個(gè)報(bào)告主要介紹第三代半導(dǎo)體材料的新進(jìn)展，對(duì)微電子產(chǎn)業(yè)或者集成電路產(chǎn)業(yè)有所幫助。

在過(guò)去的50 年，摩爾定律，幾乎成了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界唯一的主題。

凱文·凱利在其著作《科技想要什么》中對(duì)摩爾定律是否能延續(xù)進(jìn)行了兩點(diǎn)闡述：“芯片上的晶體管數(shù)目已經(jīng)足以執(zhí)行人類想要的功能，只是我們不知道怎么做”“摩爾定律不變的曲線有助于把金錢(qián)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)界的每個(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)?！?/span>

第一點(diǎn)，按照摩爾定律，如果單芯片到了5 nm、7 nm，則它可以集成300億個(gè)晶體管。目前芯片上的晶體管數(shù)目已經(jīng)足以執(zhí)行人類所想要的所有功能，人類目前有沒(méi)有這樣的需求，需要運(yùn)用一個(gè)單芯片上那么多晶體管做什么。

第二點(diǎn)的闡述更接近摩爾定律的實(shí)質(zhì)。摩爾定律不變的曲線有助于把資金和智力集中到一個(gè)非常具體的目標(biāo)上，這就是一種自驅(qū)動(dòng)的前進(jìn)，產(chǎn)業(yè)上面的自驅(qū)動(dòng)前進(jìn)。當(dāng)然需要政府，但是更需要一種產(chǎn)業(yè)的自驅(qū)動(dòng)前進(jìn)。

不管怎么講，集成電路已經(jīng)走過(guò)60 年了，現(xiàn)在一方面碰到了很多基礎(chǔ)性研究的瓶頸問(wèn)題，解決起來(lái)很困難；另外一方面，人類對(duì)信息技術(shù)不斷的依賴又必須讓我們更加強(qiáng)烈地需要技術(shù)和原理的創(chuàng)新來(lái)支撐這種需求。

如果摩爾定律不再奏效，或者傳統(tǒng)硅技術(shù)無(wú)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。目前硅材料還是占了整個(gè)半導(dǎo)體材料的絕大部分（90%以上），而第三代寬禁帶與超寬禁帶半導(dǎo)體越來(lái)越得到重視，其中寬禁帶半導(dǎo)體商用化程度越來(lái)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。

主要按照推出時(shí)間早晚劃分，半導(dǎo)體材料目前已經(jīng)劃分到了第三代。第一代是從集成電路發(fā)明開(kāi)始，最先晶體管是鍺材料，后面發(fā)展成硅材料。

第二代半導(dǎo)體材料是20世紀(jì)八九十年代推出的砷化鎵和1990 年后才開(kāi)始真正用到了產(chǎn)業(yè)上面的磷化銦材料。

2000 年以后，主要是第三代半導(dǎo)體材料，以氮化鎵和碳化硅為主。2005 年以后開(kāi)始出現(xiàn)超寬禁帶半導(dǎo)體，圖1橫軸為材料引入時(shí)間，縱軸為材料的禁帶寬度，4 eV以上禁帶寬度的材料稱為超寬禁帶。包括目前比較典型氧化鎵、金剛石和氮化鋁。這些新材料的引入對(duì)半導(dǎo)體體系有很大發(fā)展和補(bǔ)充。

圖1  半導(dǎo)體材料的劃代

由圖1列出了各類半導(dǎo)體材料的特性，可以看出，不同的半導(dǎo)體材料其性質(zhì)相差甚遠(yuǎn)。例如，功率器件是目前半導(dǎo)體器件的一個(gè)方向。材料的功率特性包括電子的飽和漂移速度、擊穿特性、熱導(dǎo)率等，還有評(píng)價(jià)半導(dǎo)體材料用于開(kāi)關(guān)器件潛力的巴利加優(yōu)值，其值越大，器件功率越大，Si、GaAs、4H-SiC的巴利加優(yōu)值分別為1、5、340，而金剛石的為24664。

表1   半導(dǎo)體材料的特性

圖2示出了以GaN和SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料與硅材料相比所具有的明顯優(yōu)勢(shì)。因?yàn)檫@類材料具有寬的半導(dǎo)體帶隙、高的電子飽和漂移速度、高的熱導(dǎo)率、高的擊穿強(qiáng)度，特別適合于制造工作于高頻率、高速度、耐高溫的半導(dǎo)體器件和短波長(zhǎng)光電器件（如藍(lán)光到紫外光LED和光電探測(cè)器件）。

圖2   寬禁帶半導(dǎo)體電子器件特性優(yōu)勢(shì)

隨著4G和5G移動(dòng)通信、雷達(dá)探測(cè)、軌道交通、光伏發(fā)電、半導(dǎo)體照明、高壓輸變電等應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展，寬禁帶和超寬禁帶半導(dǎo)體器件已成為國(guó)際半導(dǎo)體器件和材料的研究和產(chǎn)業(yè)化熱點(diǎn)，中國(guó)目前在寬禁帶半導(dǎo)體器件方面開(kāi)始全面產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用（圖3），在超寬禁帶半導(dǎo)體器和材料方面取得了很好的基礎(chǔ)研究成果。國(guó)內(nèi)在該方面的發(fā)展態(tài)勢(shì)也較好。

圖3   寬禁帶半導(dǎo)體器件及應(yīng)用

 

以照明為例，由于氮化物半導(dǎo)體的興起，在半導(dǎo)體照明方面取得了很大的進(jìn)展。2017 年國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值已經(jīng)突破了6500 億人民幣，2018 年可能會(huì)更高，據(jù)預(yù)計(jì)會(huì)超過(guò)7000 億人民幣。

同時(shí)電子器件方面，尤其是在微波毫米波器件方面已經(jīng)開(kāi)始廣泛地用于通信、雷達(dá)、對(duì)抗、衛(wèi)星等方面，這對(duì)硅集成電路來(lái)講是一個(gè)很好的補(bǔ)充。

在國(guó)家支持下，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體發(fā)展呈良好態(tài)勢(shì)，但同時(shí)也有一些擔(dān)憂和困惑：在一些產(chǎn)業(yè)興起時(shí)，容易產(chǎn)生一哄而上的局勢(shì)，形成一個(gè)幾乎沒(méi)有什么約束，沒(méi)有什么規(guī)則的發(fā)展趨勢(shì)。

氮化鎵電子器件是在襯底材料上外延生長(zhǎng)勢(shì)壘層/溝道層材料，該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高密度和高遷移率的二維電子氣，這是實(shí)現(xiàn)微波和大功率半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵；硅和碳化硅襯底是主要材料，目前已經(jīng)開(kāi)始了進(jìn)入了氮化鎵襯底年代。

與硅相比，氮化物半導(dǎo)體具有以下兩個(gè)獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

1）氮化物半導(dǎo)體材料可以形成異質(zhì)結(jié)，也即不同的禁帶材料可以疊加在一起，形成不同的具有量子的限域性的異質(zhì)結(jié)，在這個(gè)異質(zhì)結(jié)里面工作的電子遷移率比三維的電子快得多。因此在做高頻器件時(shí)，氮化物半導(dǎo)體有優(yōu)勢(shì)。

2）電子密度，也即材料中的載流子的密度，不由摻雜決定，而由極化決定?？梢杂眠@種性質(zhì)調(diào)節(jié)材料各種極化的性能，用材料的禁帶寬度來(lái)調(diào)節(jié)載流子的濃度，是非常好的性質(zhì)，不用去摻各種各樣的雜質(zhì)，只要調(diào)節(jié)材料的極化特性，就能得到很好的電子濃度。

這兩個(gè)特性在半導(dǎo)體體系中確實(shí)是獨(dú)特的，而且可以得到很好的應(yīng)用。

移動(dòng)通信需要頻率越來(lái)越高，需要發(fā)射的功率越來(lái)越大。2017 年工信部正式發(fā)布5G通信頻率：端對(duì)端通信頻率為28、39GHz，未來(lái)將會(huì)更高，以滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅欢藢?duì)手機(jī)的頻率達(dá)到3.3~3.6 GHz、4.8~5.0 GHz。這對(duì)未來(lái)化合物半導(dǎo)體的發(fā)展，尤其是移動(dòng)通信的發(fā)展提供了非常好的一個(gè)市場(chǎng)。

目前454GHz的AlN/GaN HEMT源漏對(duì)稱器件最高f_T為454 GHz，同時(shí)f_max達(dá)到了440 GHz，就是說(shuō)如果該器件正常工作到THz階段，對(duì)于200 GHz的工作頻率還是有保障的。

再例如，圖4所示源漏不對(duì)稱的氮化鎵器件最高f_T最高可以達(dá)582 G，f_max略低，為310 GHz，也可以很好地在高頻情況下應(yīng)用。

圖4   454GHz @AlN/GaN HEMT示意

在高功率情況下，西安電子科技大學(xué)成功研發(fā)出320 GHz的毫米波器件，利用高質(zhì)量的浮空柵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了器件的f_max達(dá)到了320 GHz；另外，實(shí)現(xiàn)了在輸出功率密度一定的情況下，功率附加效率在30 GHz頻率下為目前國(guó)際GaN基HEMT中最高值。另外，國(guó)內(nèi)已經(jīng)研究成功了X波段，輸出功率可以達(dá)3 kW，將繼續(xù)將其發(fā)展到5 kW。實(shí)現(xiàn)其高功率的眾多特殊應(yīng)用。

這些高頻、高功率器件下一代通信提供了非常重要的技術(shù)保障。另外這種材料的效率高，會(huì)大大改進(jìn)散熱和可靠性問(wèn)題。

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。

Baliga曲線（圖5）闡述了導(dǎo)通電阻和擊穿電壓的關(guān)系，對(duì)于一個(gè)器件而講，如果想讓器件的擊穿電壓提升，一定要輕摻雜。但輕摻雜后導(dǎo)通電阻增大。器件的正向?qū)娮韬头聪驌舸╇妷河肋h(yuǎn)是一對(duì)矛盾，因此要靠材料來(lái)解決是一個(gè)很重要的方面。不同的材料，包括碳化硅、氮化鎵、氧化鎵，用新的材料來(lái)解決功率器件、導(dǎo)通電阻和擊穿電壓之間的關(guān)系。

圖5   半導(dǎo)體器件Baliga曲線

 

2018 年，西安電子科技大學(xué)在氮化物電力電子器件氣的重要進(jìn)展，研制成功一個(gè)新結(jié)構(gòu)GaN肖特基微波功率二極管，禁帶寬度很寬，但開(kāi)啟電壓非常低（0.35 V，與硅相近），GaN SBD目前最好的BV~Ron，更靠近GaN Baliga理論曲線（圖6）。

圖6   新結(jié)構(gòu)GaN肖特基微波功率二極管Baliga理論曲線

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。在硅基上面做氮化鎵是目前重要的研究?jī)?nèi)容，未來(lái)可以通過(guò)與硅的集成電路高度融合，另外可以用目前的集成電路生產(chǎn)線，以更加低的成本實(shí)現(xiàn)的功率器件和微波器件等。

對(duì)于性能更高的諸如金剛石、氧化鎵等器件來(lái)說(shuō)，學(xué)術(shù)界也在進(jìn)一步研究。

金剛石的問(wèn)題是研究界共同關(guān)心的難題。西安電子科技大學(xué)通過(guò)消除多晶，擴(kuò)徑生長(zhǎng)，擴(kuò)大了單晶外延層面積，在單個(gè)襯底上實(shí)現(xiàn)尺寸達(dá)12 mm x11 mm x1.5 mm的單晶金剛石的穩(wěn)定生長(zhǎng)，生長(zhǎng)速率大于20μm/h。

金剛石由于原子密度大，摻雜和導(dǎo)電比較困難，主要依靠“氫終端表面電導(dǎo)”制備場(chǎng)效應(yīng)管。但是，金剛石的特性非常之好，我們?cè)跉浣K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，正向?qū)娮杞档偷酵葨砰L(zhǎng)MOSFET器件的1/3，跨導(dǎo)提高約3 倍。。

過(guò)去氧化物半導(dǎo)體的性能一般，最近氧化鎵電子器件性能研究國(guó)內(nèi)外發(fā)展較快，在技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)與國(guó)際差距不大。

圖7展示了西安電子科技大學(xué)在2018 年報(bào)道的帶場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的氧化鎵SBD，首次實(shí)現(xiàn)擊穿電壓3 kV，高開(kāi)關(guān)比10⁸~10⁹，SBD勢(shì)壘高度1.11 eV和理想因子1.25，該器件具有目前最優(yōu)的BV~Ron。

圖7 帶場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的氧化鎵SBD

中國(guó)的微電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)大有希望。2018 年是集成電路發(fā)明60 周年。歲月如梭，時(shí)光如箭，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界應(yīng)抓緊目前發(fā)展的良好機(jī)遇，不斷地努力。

如何高度地進(jìn)一步將資金和人才智力集中到一個(gè)明確的方向上來(lái)，是值得共同探討和努力的。