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郝跃院士:宽禁带与超宽禁带半导体器件新进展

日前,在纪念集成电路发明60周年学术会议上,中科院院士、国家自然科学基金委员会信息科学部主任、西安电子科技大学教授郝跃院士做了题为《宽禁带超宽禁带半导体器件新进展》的报告。郝跃院士详细讲解了第三代半导体材料的优势。

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郝跃院士首先援引了凯文凯利最新力作《科技想要什么》中所提到的,“目前芯片商的晶体管数目已经足以执行人类想要的功能,只是我们不知道要怎么做。”,第二句则是“摩尔定律不变的曲线有助于把金钱和智力集中到一个非常具体的目标上,也就是不违背定律。工业街的每个人都明白,如果跟不上曲线,就会落后,这就是一种自驱动前进。”

如果摩尔定律不再奏效,或者传统硅技术无法满足某些需求之时该怎么办?这时候就需要在材料上下功夫。实际上学术界和产业界也一直在找寻新的半导体材料。第一代硅锗工艺20世纪50年代就诞生了,之后磷化铟和砷化镓工艺在80年代诞生,如今第三代宽禁带与超宽禁带半导体越来越得到重视,其中宽禁带半导体商用化程度越来越高,包括氮化镓、碳化硅等,而超宽禁带半导体包括金刚石、氧化镓和氮化铝等研究也有了进展。

郝跃院士表示,对于器件来说,既希望有低导通电阻同时又希望有高击穿电压,但这永远是矛盾体,所以需要靠材料创新来解决导通电阻和击穿电压关系。

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郝跃院士表示,宽禁带半导体具有高温、高压、高电流、低导通电阻以及高开关频率等特性,可广泛应用在高压、高频、高温以及高可靠性等领域。

郝跃院士表示,氮化物材料体系总的发展态势非常良好,首先在光电LED领域已经取得了巨大成功;微波电子器件领域开始得到了广泛应用,尤其是在移动通信领域和国防领域(雷达、电子对抗、卫星通信等。)

一、高频氮化物器件

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如图所示,AiN/GaN的源漏对称,频率均可到400GHz以上,因此非常适合THz研究。

郝跃院士介绍了西电320GHz毫米波器件,利用高界面质量的凹槽半悬空栅技术,器件的fmax达320GHz,在输出功率密度一定的情况下,功率附加效率在30GHz频率下为目前国际GaN基HEMT中最高值。

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二、氮化物电力电子器件

由于氮化物具有高耐压及低损耗等特点,已经被电力电子应用关注。郝跃院士等人发表在2018 IEEE EDL上的一个新结构GaN肖特基微波功率二极管,具有目前最好的BV Ron,sp,更靠近GaN Baliga理论曲线。

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三、硅基氮化镓

硅基氮化镓兼具硅的低成本效应以及氮化镓的高频高功率特性。

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全球氮化镓相关公司情况一览

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如图所示,硅基氮化镓的未来有两条路,一条是高功率的模块化产品,一条是SoC化,集成更多被动元件、射频驱动等。

超宽禁带半导体电子器件

而对于性能更高的诸如金刚石、氧化镓等器件来说,学术界也在进一步探讨。

郝跃院士介绍道,单晶金刚石材料生长目前已经可以实现在单个衬底上生成12mm*11mm*1.5mm的稳定单晶金刚石,结晶质量达到元素六电子级单晶产品水平,生长速度大渔20μm/h。

郝跃院士表示,金刚石由于原子密度大,掺杂和导电比较困难,所以注意依靠“氢终端表面电导”制备场效应管,不过表面电导存在迁移率低、方阻大等问题,同时也不够稳定,导电随环境、湿度、温度变化,对酸碱环境都比较敏感。

但是,金刚石的特性非常之好,在氢终端金刚石场效应管的栅极下方引入具有转移掺杂作用的介质MoO3,RON降低到同等栅长MOSFET器件的1/3,跨导提高约3倍。

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对于氧化镓来说,郝跃院士等人在IEEE Electron Device Letters,2018上发表的带场板结构的氧化镓SBD,首次实现BV>3kV,高开关比10e8-10e9,SBD势垒高度1.11eV和理想因子1.25。

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最后,郝跃院士用基尔比发明集成电路和获得诺贝尔奖时候的照片进行对比,并希望学术界和产业界都抓紧现在的机遇,努力前行。“目前宽禁带半导体上,国外公司比如CREE等,已经开发出15000V的IGBT,而在SiC和IGBT方面,国内已有了一定的发展,但相对还是缓慢。”郝跃院士说道。

来源: EEWORLD

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