日前，在紀(jì)念集成電路發(fā)明60周年學(xué)術(shù)會議上，中科院院士、國家自然科學(xué)基金委員會信息科學(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》的報告。郝躍院士詳細(xì)講解了第三代半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢。

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。”，第二句則是“摩爾定律不變的曲線有助于把金錢和智力集中到一個非常具體的目標(biāo)上，也就是不違背定律。工業(yè)街的每個人都明白，如果跟不上曲線，就會落后，這就是一種自驅(qū)動前進(jìn)。”如果摩爾定律不再奏效，或者傳統(tǒng)硅技術(shù)無法滿足某些需求之時該怎么辦？這時候就需要在材料上下功夫。實際上學(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，對于器件來說，既希望有低導(dǎo)通電阻同時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，尤其是在移動通信領(lǐng)域和國防領(lǐng)域（雷達(dá)、電子對抗、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，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，集成更多被動元件、射頻驅(qū)動等。超寬禁帶半導(dǎo)體電子器件而對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目前已經(jīng)可以實現(xiàn)在單個襯底上生成12mm*11mm*1.5mm的穩(wěn)定單晶金剛石，結(jié)晶質(zhì)量達(dá)到元素六電子級單晶產(chǎn)品水平，生長速度大漁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，同時也不夠穩(wěn)定，導(dǎo)電隨環(huán)境、濕度、溫度變化，對酸堿環(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MOSFET器件的1/3，跨導(dǎo)提高約3倍。

對于氧化鎵來說，郝躍院士等人在IEEE Electron Device Letters，2018上發(fā)表的帶場板結(jié)構(gòu)的氧化鎵SBD，首次實現(xiàn)BV>3kV，高開關(guān)比10e8-10e9，SBD勢壘高度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時候的照片進(jìn)行對比，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。“目前寬禁帶半導(dǎo)體上，國外公司比如CREE等，已經(jīng)開發(fā)出15000V的IGBT，而在SiC和IGBT方面，國內(nèi)已有了一定的發(fā)展，但相對還是緩慢。”郝躍院士說道。