整個(gè)社會(huì)越來越像科幻片，教育、高清視頻、家庭智能系統(tǒng)等等都可以通過各種移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)，各種消費(fèi)品都開始聯(lián)網(wǎng)，人類社會(huì)萬物互聯(lián)，逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化生存。高速的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)既是擴(kuò)大消費(fèi)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的硬件條件，也是重要推手。移動(dòng)通信技術(shù)的提升將刺激互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，也將極大帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。萬物互聯(lián)的背景下，加上高速率的保證，移動(dòng)信息消費(fèi)潛力巨大。世界各國(guó)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)、設(shè)備商和運(yùn)營(yíng)商就將目光投向了移動(dòng)通信技術(shù)，比如5G，爭(zhēng)先恐后地開展戰(zhàn)略布局和科技研發(fā)以占得先機(jī)。

 

　　其中，在新一代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展中，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)體材料不可忽視。第三代半導(dǎo)體具備禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射能力強(qiáng)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(fèi)類電子、5G移動(dòng)通信、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。預(yù)計(jì)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(guó)防三大領(lǐng)域催生上萬億元的潛在市場(chǎng)。那么新一代通信技術(shù)發(fā)展的背景下，第三代半導(dǎo)體會(huì)有怎樣的作為？

　　2016年11月15日至17日， 2016中國(guó)(北京)跨國(guó)技術(shù)轉(zhuǎn)移大會(huì)暨第三代半導(dǎo)體國(guó)際論壇（以下簡(jiǎn)稱“跨國(guó)技術(shù)轉(zhuǎn)移大會(huì)”）在北京國(guó)際會(huì)議中心盛大召開。此次跨國(guó)技術(shù)轉(zhuǎn)移大會(huì)，由中國(guó)科技部與北京市人民政府主辦，將覆蓋眾多科技、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新熱點(diǎn)領(lǐng)域。第十三屆中國(guó)國(guó)際半導(dǎo)體照明論壇（SSLCHINA2016）也受到北京市科委邀請(qǐng)，與大會(huì)同期同地舉行。

 

　　圍繞第三代半導(dǎo)體，今年跨國(guó)技術(shù)轉(zhuǎn)移大會(huì)專門設(shè)置了多場(chǎng)分會(huì)，其中，11月16日下午舉行的“第三代半導(dǎo)體與新一代移動(dòng)通信技術(shù)”分會(huì)，圍繞著第三代半導(dǎo)體與新一代移動(dòng)通信技術(shù)展開多維度的探討，涉及高性能GaN開關(guān)電源，GaN、SiC材料外延及電子器件等眾多熱點(diǎn)。

 

　　分會(huì)匯集了來自全球相關(guān)領(lǐng)域的精英力量參與，邀請(qǐng)了來自蘇州能訊高能半導(dǎo)體有限公司董事長(zhǎng)張乃千，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校特聘教授王康隆，日本德島大學(xué)教授、西安電子科技大學(xué)教授敖金平，南京電子器件研究所副教授孔月嬋，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所副所長(zhǎng)蔡樹軍、臺(tái)灣長(zhǎng)庚大學(xué)教授邱顯欽，臺(tái)灣中央大學(xué)電子工程系講座教授綦振瀛、中興通訊股份有限公司射頻功放平臺(tái)總工劉建利，河北半導(dǎo)體研究所高級(jí)工程師呂元杰， Plasma-Therm技術(shù)推廣總監(jiān)、主任研究員David Lishan，河北半導(dǎo)體研究所博士，專用集成電路國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室外延部部長(zhǎng)房玉龍（王元?jiǎng)偞v），中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所、專用集成電路國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、西安電子科技大學(xué)等國(guó)內(nèi)外眾多科研院所、高校、大型代表企業(yè)的重量級(jí)嘉賓，共同坐鎮(zhèn)，集中暢談技術(shù)研究進(jìn)展，產(chǎn)業(yè)格局以及企業(yè)未來發(fā)展戰(zhàn)略。

　　其中，臺(tái)灣中央大學(xué)電子工程系講座教授綦振瀛在射頻通信用AlInN/GaN HEMT器件的MOCVD外延生長(zhǎng)主題報(bào)告中指出，晶格匹配AlInN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)是功率和射頻器件應(yīng)用的理想選擇，因其較強(qiáng)的自發(fā)極化（效應(yīng)），導(dǎo)致其比AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)擁有更高的載流子濃度和更低的溝道電阻。這一優(yōu)點(diǎn)對(duì)毫米波設(shè)備的操作更為重要，因?yàn)樗鼘?duì)橫向和縱向的物理縮放設(shè)備尺寸非常必要。

 

　　在這個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)中，雖然晶格應(yīng)變的問題較小，InN和AlN的不混溶性使高質(zhì)量的AlInN更難制備。深入分析表明，除聲子散射和位錯(cuò)散射外，合金散射和界面粗糙度散射在AlInN/GaN高電子遷移率晶體管的輸運(yùn)特性方面發(fā)揮重要作用（HEMT）。從實(shí)驗(yàn)和理論角度，審查和討論生于金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積的高電子遷移率、低通道電阻AlInN/GaN HEMT的生長(zhǎng)技術(shù)和層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

 

　　移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)從上世紀(jì)八十年代產(chǎn)生以來，歷經(jīng)了三十余年的發(fā)展歷史，從1G到5G,每一次更新?lián)Q代都是顛覆性技術(shù)引領(lǐng)來解決了當(dāng)時(shí)的最主要需求。我們正處在一個(gè)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進(jìn)的狀態(tài)是一方面4G網(wǎng)絡(luò)高速建設(shè)，另一方面5G技術(shù)研究快速推進(jìn)。

　　中興通訊股份有限公司射頻功放平臺(tái)總工劉建利在“射頻功率器件在移動(dòng)通信基站射頻功率放大器中的應(yīng)用”報(bào)告中指出，展望未來移動(dòng)通信基站的發(fā)展，超寬帶、低功耗、集成小型化將是其必然趨勢(shì)。相應(yīng)的對(duì)基站內(nèi)部的射頻功率放大器在輸出功率、能耗效率、信號(hào)帶寬、可靠性、體積、重量及成本等多方面提出了更高的要求。傳統(tǒng)的LDMOS技術(shù)雖然仍然占據(jù)了基站射頻功放的絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，但面對(duì)未來的需求，其技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)難于滿足，并且LDMOS技術(shù)由于經(jīng)過二十多年的演進(jìn)，指標(biāo)的提升已接近極限。而GaN技術(shù)以其寬禁帶材料固有的特性，使得器件在工作頻率、功率、效率、帶寬、體積等諸多方面呈現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能。GaN射頻功率器件的應(yīng)用2012年前后開始起步，預(yù)計(jì)到2019年將占到20%以上的市場(chǎng)份額。

　　為了抑制無線通訊系統(tǒng)中功率放大器的信號(hào)扭曲，對(duì)GaN器件的線性度提出了越來越嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)GaN基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)的跨導(dǎo)會(huì)在到達(dá)峰值后迅速下降，嚴(yán)重影響器件的大信號(hào)可用增益。河北半導(dǎo)體研究所博士，專用集成電路國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室外延部部長(zhǎng)房玉龍（王元?jiǎng)偛┦看v）分享了“高線性度步分級(jí)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管”演講報(bào)告中指出，為了抑制跨導(dǎo)下降，科研人員在器件溝道設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了大量研究，包括雙溝道結(jié)構(gòu)、復(fù)合溝道結(jié)構(gòu)和緩變異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。基于緩變 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的HFET被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高線性應(yīng)用的重要途徑，其有源層的基本結(jié)構(gòu)為漸變組分的 AlGaN層。但是，基于緩變 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的HFET材料在外延生長(zhǎng)時(shí)工藝控制較難，因而不易實(shí)現(xiàn)良好的片內(nèi)均勻性。

 

　　王元?jiǎng)偙硎荆O(shè)計(jì)并研制出基于梯度緩變的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的HFET。與線性緩變的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的HFET器件相比，基于梯度緩變結(jié)的器件表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)钠骷匦裕貏e是寬且平的跨導(dǎo)特性。基于梯度緩變結(jié)的器件還表現(xiàn)出更好的片內(nèi)均勻性。考慮到不同梯度AlGaN/GaN緩變結(jié)不同位置的載流子特性，提出準(zhǔn)多溝道模型對(duì)器件特性進(jìn)行解釋。希望該結(jié)構(gòu)能夠推動(dòng)GaN器件在無線通訊系統(tǒng)中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

　　Plasma-Therm技術(shù)推廣總監(jiān)、主任研究員David Lishan在“GaN基器件使用等離子切割產(chǎn)生效益”報(bào)告時(shí)表示， 這里提出了一種新方法，采用進(jìn)料側(cè)等離子切割，避免了這些問題，解決薄晶片（＜150µ米），適應(yīng)GaN基層。我們的方法是利用狹窄的路寬（≤15µm）和采用低應(yīng)力、圓角的芯片/無裂紋邊緣。由于所有的路寬都是同時(shí)蝕刻，并由模具本身定義，可以實(shí)現(xiàn)的靈活的模具布局和模具形狀。同時(shí)，它使更多優(yōu)良的芯片模組，更高的生產(chǎn)量和更好的芯片可靠性。例如，減少切割的路寬，從典型的75?m到15?m，為每個(gè)晶圓模組增加近11%的1mm2模組，減少裂止動(dòng)環(huán)的附加成本。

 

　　David Lishan表示，電力、內(nèi)存、物流、成像傳感器、LED、RFID、MEMS采用這種技術(shù)，需要解決一系列的變量，如材料的相容性、接合墊/凸起，過程控制/調(diào)整結(jié)構(gòu)和里襯金屬。將介紹特殊情況下的處理選項(xiàng)和方案，硅基氮化鎵改進(jìn)加工和包裝進(jìn)程。

　　日本德島大學(xué)教授、西安電子科技大學(xué)教授敖金平分享了“AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的等離子輔助的低溫退火歐姆過程”主題報(bào)告。報(bào)告中介紹了一種借助感應(yīng)耦合等離子體（ICP）表面處理，在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)上實(shí)現(xiàn)的低溫歐姆接觸工藝。探討了ICP工藝對(duì)二維電子氣溝道的影響和低溫歐姆接觸形成的機(jī)理。我們發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)腁lGaN剩余厚度和等離子體引起的表面損傷是形成低溫歐姆接觸的兩個(gè)關(guān)鍵因素。利用單層的Al層取代常規(guī)的TiAl，在575°C 和3分鐘的合金條件下，獲得0.35Wmm的接觸電阻。在500 °C和20分鐘的合金條件下也獲得了較好的歐姆接觸。基于這種低溫歐姆接觸工藝，我們研制了幾種具有自對(duì)準(zhǔn)柵結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN HFET射頻器件，以期在微波毫米波領(lǐng)域應(yīng)用。

　　臺(tái)灣長(zhǎng)庚大學(xué)教授邱顯欽對(duì)采用SOI氮化鎵基板技術(shù)的高性能開關(guān)電源和頻射功率器件做了重點(diǎn)介紹。他表示，在過去十年中，全球硅基板上6寸的空乏型氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管不僅從晶圓片磊晶，半導(dǎo)體制程，以及到后段封裝技術(shù)上表現(xiàn)出了極大的成功和巨大的進(jìn)步。此外，由于在成熟的GaN FET技術(shù)，制造成本也降低了。GaN材料吸引了許多的關(guān)注，因?yàn)樗鼈兊膸讉€(gè)特殊的性質(zhì)：如好的熱穩(wěn)定性，高的擊穿電壓，高電子速度，和高的電流密度…等等。氮化鎵可在高溫環(huán)境下且高頻率和高電壓操作下應(yīng)用，尤其是在未來開關(guān)電源的應(yīng)用以及微波功率放大器上使用。然而，GaN組件制做在Si基板上的缺點(diǎn)，在于GaN和Si之間的晶格以及熱膨脹系數(shù)的不匹配。這些問題將導(dǎo)致在封裝時(shí)，Si基板的薄化處理，將造成芯片的彎曲和應(yīng)力上的問題。

 

　　在這次研究中，HEMT外延結(jié)構(gòu)，無金制程，類鉆碳散熱層和空氣橋的熱分配層設(shè)計(jì)優(yōu)化將進(jìn)行研究，并且在長(zhǎng)庚大學(xué)實(shí)現(xiàn)完成商業(yè)規(guī)格。將制作600V的擊穿電壓和6A?50A的輸出電流的高功率器件，且使用低電壓的Si的控制裝置，配合相關(guān)封裝技術(shù)，利用堆棧方式制作增強(qiáng)型功率器件實(shí)現(xiàn)適于開關(guān)電源和音頻放大器等應(yīng)用。

 

　　在射頻功率器件應(yīng)用，我們將導(dǎo)入絕緣體在硅基板(SOI)上代替一般的硅基板，因?yàn)镾OI基板可以減少垂直緩沖層的漏電流，且可以減小在緩沖層和硅基板之間的寄生器件電容，我們實(shí)現(xiàn)超過氮化鎵100伏的擊穿電壓和高功率附加轉(zhuǎn)換效率在功率組件在SOI基板上，這種產(chǎn)品適用于L band 功率放大器應(yīng)用。

　　河北半導(dǎo)體研究所高級(jí)工程師呂元杰分享了“采用凹柵工藝提升AlGaN/GaN HFETs器件性能”演講報(bào)告。歸因于大的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和高的電子飽和漂移速度，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（HFETs）可在高壓和大功率領(lǐng)域應(yīng)用。目前AlGaN/GaN HFETs器件已廣泛應(yīng)用于固態(tài)功率放大器，涵蓋L (1-2 GHz) 至W (75-110 GHz)波段。然而，國(guó)際已報(bào)道的器件中電流增益截止頻率(fT)大于110 GHz時(shí)，最大振蕩頻率(fmax)都小于230GHz，這大大限制了在D波段(110-170GHz)的功放應(yīng)用。

 

　　呂元杰介紹說，結(jié)合凹柵工藝和再生長(zhǎng)歐姆接觸工藝，大幅提升了AlGaN/GaN HFETs器件性能。采用再生長(zhǎng)歐姆接觸工藝，器件源漏間距(Lsd)縮小至600 nm。器件開態(tài)電阻(Ron)為0.81 ?·mm。在蒸發(fā)60nm柵金屬之前采用低功率等離子體刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)低損傷凹柵工藝。采用凹柵工藝后器件的短溝道效應(yīng)被很好的抑制。峰值跨導(dǎo)(gm)從607 mS/mm提升至 764 mS/mm。此外，采用射頻小信號(hào)測(cè)試得到未刻蝕器件的fT和fmax分別為152 GHz and 192 GHz，而采用凹柵工藝的器件fT仍然保持149 GHz，fmax提升至263GHz，同時(shí)展示出最高的fT*fmax值。這表明通過進(jìn)一步優(yōu)化材料和器件工藝，AlGaN/GaN HFETs器件有望實(shí)現(xiàn)在D波段的功放應(yīng)用。

　　南京電子器件研究所副教授孔月嬋分享了“fT > 260 GHz時(shí)高性能超薄第四組InAlGaN勢(shì)壘HEMT器件”研究報(bào)告。她表示，GaN 基高電子遷移率晶體管（HEMT）在微波大功率器件領(lǐng)域具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和潛力。與傳統(tǒng)的高頻器件不同，本文采用的新型超薄勢(shì)壘層InAlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)在異質(zhì)界面處顯示出更強(qiáng)的極化作用，因此在降低接觸電阻的同時(shí)可以極大的降低器件在高頻條件下的短溝道效應(yīng)（SCE）。室溫條件下的霍爾測(cè)試得到材料方阻195 ，載流子濃度1.8 × 1013cm-2，載流子遷移率1770 cm2/V•s。采用電子束工藝定義的60 nm直柵結(jié)構(gòu)器件顯示出優(yōu)異的直流和微波性能，飽和電流密度達(dá)到2.5 A/mm，線性區(qū)電阻0.94 ，峰值跨導(dǎo)達(dá)到0.97 S/mm，電流增益截止頻率達(dá)到261 GHz，功率增益截止頻率74 GHz，有效載流子速度達(dá)到0.98×107 cm/s。該成果是目前60 nm柵長(zhǎng)GaN基HEMTs器件領(lǐng)域的最佳性能。計(jì)算1 mA/mm時(shí)的漏致勢(shì)壘降低（DIBL）得到200 mV/V，顯示出該器件在高頻條件下具有較好的短溝道抑制性能。