以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)等寬禁帶化合物為代表的第三代半導(dǎo)體材料已引發(fā)全球矚目，成為全球半導(dǎo)體研究前沿和熱點。第三代半導(dǎo)體具備禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射能力強等優(yōu)越性能，是固態(tài)光源、下一代射頻和電力電子器件的“核芯”，在半導(dǎo)體照明、消費類電子、5G移動通信、智能電網(wǎng)、軌道交通、雷達探測等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

　　預(yù)計到2020年，第三代半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用將在節(jié)能減排、信息技術(shù)、國防三大領(lǐng)域催生上萬億元的潛在市場，而氮化鎵器件很可能成為推動整個電子電力效率提升的關(guān)鍵動力之一。

 

　　2016年11月15日至17日，中國科技部與北京市人民政府主辦的2016中國(北京)跨國技術(shù)轉(zhuǎn)移大會暨第三代半導(dǎo)體國際論壇（以下簡稱“跨國技術(shù)轉(zhuǎn)移大會”）在北京國際會議中心舉行。其中，大會從技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、應(yīng)用等全鏈條策劃，通過高峰論壇、專題研討、應(yīng)用峰會、合作論壇和創(chuàng)新大賽等多種形式，圍繞第三代半導(dǎo)體的前沿發(fā)展和技術(shù)應(yīng)用設(shè)置多個專場重點討論。

 

　　該分會主題涵蓋大尺寸襯底上橫向或縱向氮化鎵器件外延結(jié)構(gòu)與生長、氮化鎵電力電子器件的新結(jié)構(gòu)與新工藝開發(fā)、高效高速氮化鎵功率模塊設(shè)計與制造，氮化鎵功率應(yīng)用與可靠性以及其它新型寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件等。特別邀請到美國弗吉尼亞理工大學(xué)、麻省理工學(xué)院、中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、美國Veeco 公司、臺灣交通大學(xué)、蘇州晶湛半導(dǎo)體有限公司、日本名古屋工大學(xué)、香港科技大學(xué)、比利時EpiGaNnv公司、浙江大學(xué)、中山大學(xué)、國科激光等國內(nèi)外頂尖從事氮化鎵等第三代半導(dǎo)體電力電子器件研究的專家及企業(yè)首席技術(shù)官到場作主題報告。

 

　　被稱為“終極半導(dǎo)體材料”的氮化鎵研究和應(yīng)用是全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點，在光電子器件和微電子器件領(lǐng)域市場前景廣闊。目前全球功率轉(zhuǎn)化器件每年約有150億美元的市場規(guī)模，而氮化鎵可以直接替代的市場至少可達20%，這還不包括尚待發(fā)展的領(lǐng)域，比如電動汽車等新興潛力市場。

　　美國弗吉尼亞理工大學(xué)教授、美國工程院院士Fred C. LEE以“GaN引領(lǐng)變革”為題。他表示，目前在功率電子產(chǎn)品的生產(chǎn)中，必須考慮品質(zhì)和可靠性，重點是實現(xiàn)高效率、高功率密度和低成本。這個領(lǐng)域未來的發(fā)展將會與功率器件、材料和制造技術(shù)的進展緊密相關(guān)。隨著寬帶隙功率器件的最新進展，相信交換器的產(chǎn)生將會在很大程度上影響以上三個方面。

 

　　很明顯，對于任何設(shè)計，如果簡單地用WBG替換硅器件，將會獲得效率的提高。盡管這是一個很大的貢獻，但是僅僅停留于此對WBG不公平。WBG器件能夠在更高頻率下工作。因此，可以采用WBG將器件尺寸降低5-10倍，并且在一些應(yīng)用中已經(jīng)實現(xiàn)。僅僅停留于此，不能充分發(fā)揮WBG的潛力。設(shè)計與現(xiàn)有的硅器件相比，轉(zhuǎn)換頻率為10X，20X甚至50X的轉(zhuǎn)換器，是充滿挑戰(zhàn)性的。某些這種的設(shè)計不僅能夠提高性能，并且能夠在生產(chǎn)中減少勞動量。

　　麻省理工學(xué)院教授Tomas PALACIOS的學(xué)生yuhao zhang博士來代他介紹了“電力電子采用的低成本高性能的垂直GaN二極管和晶體管”主題報告。他表示，基于寬禁帶半導(dǎo)體的電力電子器件有望極大地減小電力轉(zhuǎn)化電路和系統(tǒng)的損耗以及提高功率密度，進而減小10%當(dāng)前全世界的能量消耗。

 

　　垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵電力電子器件非常有希望于應(yīng)用于下一代電力電子系統(tǒng)中。相比于水平結(jié)構(gòu)氮化鎵電力電子器件，垂直結(jié)構(gòu)器件可以在不增加芯片面積的情況下實現(xiàn)較大的耐壓和電流，以及更好的散熱性能。但是，氮化鎵襯底的高成本成為掣肘垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵器件商品化的重要瓶頸。

 

　　隨后，yuhao zhang介紹了一種新型的垂直結(jié)構(gòu)肖特基二極管。它利用MIS、trench和filed ring等結(jié)構(gòu)，可以極高地提高二極管的耐壓并減小反向漏電流。其次，我們將介紹一種新型的垂直結(jié)構(gòu)三極管。它不需要使用p型氮化鎵，可以實現(xiàn)常關(guān)型性能。最后，雖然利用氮化鎵襯底可以實現(xiàn)較高的性能，我們介紹我們在低成本的硅襯底上同樣實現(xiàn)了高性能的氮化鎵器件，這有望于極大地降低氮化鎵垂直器件的成本。

　　公認的CaN基功率器件最有前景的商業(yè)化方式是直接生長在低成本大直徑的硅片上。中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員孫錢介紹了“硅襯底p-GaN柵生長的常關(guān)型GaN基HEMT器件”研究報告。報告中提出，采用多層AlN/AlGaN來克服在Si上生長無縫的高品質(zhì)Ga(Al)N時產(chǎn)生的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的嚴重失配。本文研究對高阻抗的Ga(Al)N進行碳摻雜與其電擊穿特性的相關(guān)性。

 

　　對于GaN基功率器件的實際應(yīng)用，增強模HEMT能夠有效地避免失效，并且簡化電路。由于技術(shù)手段的不足，p-GaN門的生產(chǎn)通常不采用HEMT。為有效控制閾值電壓，并且降低2DEG特性的退化，對p-GaN進行有效的Mg摻雜，并且減小擴散。在非門區(qū)域?qū)-GaN層進行刻蝕，有很好的一致性。會議上將報導(dǎo)生產(chǎn)的p-GaN gate HEMTs的器件特性。

　　緊接著，來自美國Veeco公司Mark Mackee分享了從單晶反應(yīng)腔技術(shù)到電力電子大批量制造的GaN-Si MOCVD發(fā)展；臺灣交通大學(xué)教授、副校長張翼介紹了La2O3/SiO2鈍化和銅金屬化的氮化鎵增強型HEMT 器件最新研究進展；蘇州晶湛半導(dǎo)體有限公司總裁程凱介紹了電力電子應(yīng)用的硅基氮化鎵平臺等報告。

　　張翼表示，氮化鎵及其相關(guān)材料因其高帶隙性質(zhì)有望成為高功率和高頻應(yīng)用材料。生長在大型硅基底的氮化鎵高電子遷移率場效晶體管（ HEMT）被認為可以在保持應(yīng)有表現(xiàn)的情況下顯著減少功率切換器件的生產(chǎn)成本。為了達到高效率，低電流崩塌的氮化鎵 HEMT器件的功率開關(guān)應(yīng)用中，需要考慮不同的材料和工藝問題。在這次談話中，用La2O3/SiO2 鈍化GaN HEMT。為了實現(xiàn)正常關(guān)閉裝置，展示了以下幾種方法，包括門槽，F(xiàn)等離子處理和高k隔層嵌入。為了降低生產(chǎn)成本，對全銅基金屬化GaN HEMT進行實驗。展示使用上述技術(shù)的GaN模塊的性能。

　　程凱認為，硅基氮化鎵是下一代電力電子的劃時代技術(shù)。廣泛使用的高質(zhì)量硅基氮化鎵材料是實現(xiàn)GaN功率器件的大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵。在演講中，他展示了最近關(guān)于高電壓大尺寸硅基氮化鎵外延晶片的成果。通過使用 multiple-(Al)GaN 過渡層，可以證明厚（> 4um）氮化物緩沖層具有> 1000V的垂直擊穿電壓。

 

　　下半場，也力邀六位嘉賓帶來高質(zhì)量學(xué)術(shù)報告，其中有日本名古屋工大教授江川孝志、香港科技大學(xué)教授陳敬、比利時EpiGaNnv首席執(zhí)行官兼共同創(chuàng)始人Marianne GERMAIN、浙江大學(xué)副教授，青年千人計劃楊樹、中山大學(xué)教授劉揚和北京國科世紀激光技術(shù)有限公司總經(jīng)理張國新。

 

　　其中，日本名古屋工大教授江川孝志講述了200毫米硅襯底AlGaN/GaN基HEMT的異質(zhì)外延生長和器件特征的最新進展。GaN器件的電子特性使其成為低損耗，高功率開關(guān)應(yīng)用的理想選擇。硅襯底的優(yōu)勢在于可使GaN長達200毫米的直徑范圍上生長，這為CMOS的集成提供了機會。GaN和Si之間存在較大的晶格及熱膨脹系數(shù)不匹配限制了高質(zhì)量硅基GaN的發(fā)展，從而導(dǎo)致高位錯密度，晶圓彎曲和裂紋形成。因此，為提高裝置性能，發(fā)展最小晶圓彎度、無裂紋的高質(zhì)量硅基GaN勢在必行。

 

　　為了得到高質(zhì)量的GaN外延層， AlN成核層在硅上的沉積非常重要。通過優(yōu)化生長條件并利用SLS技術(shù)，8英寸硅基上成功生長AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)。外延晶片的流動性為1750 cm2/Vs，薄片載流子密度為1x1013 cm-2，彎曲值為50 mm。常關(guān)器件制作采用閘門門槽和MOS技術(shù)。該器件漏極電流的最大值為300 mA/mm，低漏電流和擊穿電壓分別為825 V。這些結(jié)果表明，常關(guān)器件在使用SLS促進AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長方面具有潛能。

 

　　GaN MIS-HEMTs（金屬-絕緣體-半導(dǎo)體HEMT）或 MIS-FET（金屬-絕緣體-半導(dǎo)體 FET），具有抑制柵極泄漏，增強柵極擺動的優(yōu)點，優(yōu)于傳統(tǒng)的肖特基柵HEMT高壓電力開關(guān)。然而，柵極絕緣層另外創(chuàng)建了一個新的介電/ III-N接口，其在界面通常存在于高密度(1012-1014 cm-2eV-1) 淺層和深層陷阱（短期和長期的發(fā)射時間常數(shù)鬷t ），這就形成了巨大的挑戰(zhàn)。

 

　　香港科技大學(xué)教授陳敬作題為“氮化鎵功率器件MIS門結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性”主題報告，報告中對GaN MIS-HEMTs閘極介電層和具有增強的穩(wěn)定性和可靠性的MIS-FETs的幾項技術(shù)予以介紹。這些技術(shù)包括：1）采用氮化界面層(NIL)技術(shù)在電介質(zhì)與GaN之間創(chuàng)建低陷阱密度界面；2）整合 NIL，門槽，氟植入正常的GaN晶體管； 3）LPCVD制備低漏電長壽命氮化硅和柵介質(zhì)（低壓化學(xué)氣相沉積）。

 

　　緊接著，來自比利時EpiGaNnv首席執(zhí)行官兼共同創(chuàng)始人Marianne GERMAIN，介紹了“大直徑硅外延片上的氮化鎵高效率的功率切換”研究報告；她表示，為延伸硅材料的電力電子特性，必須采用GaN-on-Si技術(shù)。該技術(shù)能夠減小能量損耗（能量供給，動力驅(qū)動），并且能夠允許高的操作溫度（服務(wù)器，電動車輛……），同時減小功率轉(zhuǎn)換器（電腦電源、汽車、空間……）的體積和重量。GaN-on-Si技術(shù)能夠打破硅邊界的高效功率轉(zhuǎn)換的決定性優(yōu)勢在于它很好地將高性能和低成本結(jié)合在一起。這主要歸功于使用低成本硅襯底，可以獲得大硅片，完全兼容于現(xiàn)有的硅生產(chǎn)線和生產(chǎn)車間。本文將給出最新的150 nm和200 nm晶圓的發(fā)展，在室溫和150℃條件下減小泄漏結(jié)構(gòu)，具有極好的動態(tài)電阻特性，適合高電壓開關(guān)應(yīng)用。

 

　　浙江大學(xué)副教授，青年千人計劃楊樹在作“硅基氮化鎵功率器件緩沖層引發(fā)的挑戰(zhàn)”報告，報告中指出，氮化鎵（GaN）憑借寬禁帶、高電子遷移率、高擊穿電場等優(yōu)異材料特性，能夠在電力電子應(yīng)用中提供高耐壓、高頻率、小尺寸、高效能、耐高溫等理想性能，在可移動電子設(shè)備、家用電器、光伏逆變器、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域有著具有廣闊應(yīng)用前景。

 

　　相比于藍寶石、碳化硅和體氮化鎵襯底，在硅襯底上外延生長III族氮化物異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)（也就是硅基氮化鎵），不僅利于增大晶圓尺寸和降低成本，而且與硅工藝線兼容從而可實現(xiàn)氮化鎵基與硅基器件、電路的片上集成，被認為是產(chǎn)業(yè)化中最具競爭力的發(fā)展方向之一。報告中,緩沖層陷阱對于硅基氮化鎵電力電子器件阻斷漏電流和動態(tài)性能的影響機理，并且總結(jié)回顧在緩沖層材料生長優(yōu)化和襯底工程中的最新進展。

 

　　Si襯底上凹槽柵增強型GaN MOSFET 器件在業(yè)界被認為是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流方向。由于MOS柵界面存在嚴重的電子俘獲效應(yīng)，其一直面臨閾值電壓的不穩(wěn)定性問題。中山大學(xué)教授劉揚作了“硅襯底采用選擇性區(qū)域生長高質(zhì)量MOS界面的槽柵增強型GaN MOSFET”研究報告中表示，作為一種可選方案，選區(qū)外延技術(shù)（SAG）被用于實現(xiàn)器件的增強型特性，其原理是通過再生長薄層AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而自然形成凹槽柵。SAG方案的主要目的之一是獲得無晶格損傷的槽柵結(jié)構(gòu)，然而，由于選區(qū)外延工藝未能得到優(yōu)化，這一優(yōu)勢在我們之前的工作中并未充分得以體現(xiàn)。而選區(qū)生長的異質(zhì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量是這種器件關(guān)鍵之一。最近，我們通過將SAG界面與2DEG界面相分離以及抑制背景Si 施主雜質(zhì)，從而實現(xiàn)了與傳統(tǒng)一次外延同等質(zhì)量的高性能AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的再生長。

 

　　作為本場分會最后一位重要報告，是來自北京國科世紀激光技術(shù)有限公司總經(jīng)理張國新（同事代講）帶來“全固態(tài)激光技術(shù)在第三代半導(dǎo)體中的應(yīng)用”學(xué)術(shù)報告。報告中對激光器種類，按波段及脈寬分類；激光加工介紹，不同波段脈寬激光作用機理；激光劃片：紫外激光用于碳化硅、氮化鎵襯底劃片；激光打孔：皮秒激光碳化硅、氮化鎵襯底打孔；及國科激光激光器介紹等。