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高效能半导体器件进展

发表时间:2022-01-04 16:03作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

由于纤锌矿结构的 GaN 材料具备很强的自发极化和压电极化效应,使其在 AlGaN/GaN 界面会形成高电子迁移率的二维电子气( 2DEG) ,2DEG 导电能力远大于传统半导体器件导电沟道,这也是 GaN器件能够实现高频高功率的原因。目前在材料方面,国内 GaN,SiC 的材料生长已实现国产化,这为我国第三代半导体器件的发展奠定了良好的基础。在器件方面,国内也取得了非常好的进展,一大批高性能 GaN 器件从实验室、研究所走出,开启第三代半导体器件的广泛应用。西安电子科技大学开展了面向 5G 的 C 波段的GaN 大功率射频器件的研究,如图2,在 频 率 为5 GHz,Vd 为 28 V 时进行三次谐波调制研究,连续波工作状态下,器件的功率附加效率到达了目前国际最高指标 85.16%,且功率密度为 7.0 W/mm,功率增益为 14.9 dB,这也为 6G 通信的发展提供了强有力的支撑,为未来毫米波通信奠定了重要的基础。


超宽禁带半导体氧化镓材料与器件宽禁带半导体材料已经能较好支撑高效能半导体器件的发展。近几年来,学术界正在发展超宽禁带半导体氧化镓,Ga2O3 具有 4.8 eV 的禁带宽度。超宽禁带半导体在理论上具备更高的击穿电压、更大的功率密度,为高功率、高压器件的发展提供了新的思路,让我们对未来半导体器件的发展充满期望。目前,西安电子科技大学自主研发了氧化镓金属有机化合物化学气相淀积( metal-organic chemicalvapor deposition,MOCVD) 设备,该设备已经能够支撑超宽禁带半导体材料及器件的研究。2020 年,中电科 13 所与西安电子科技大学合作研发 Ga2O3金属-氧化物半导体场效应 晶体管 ( metal-oxidesemiconductor field-effect transistor,MOSFET) 器件,如图 3,采用栅极和源极复合场板结构,实现了高达2.9 kV 的击穿电压,功率指数因子达 278 MW/cm2,这是目前国际上 MOSFET 器件达到的最高功率因子; 同年,西安电子科技大学还采用铁电栅介质HZO 诱导势垒捕获电子耗尽沟道实现了击穿电压为 2.1 kV 的器件,也是目前国际上达到最高功率因子 200 MW/cm2的平面增强型 FET。



然而,氧化镓材料的短板主要在于导电性能较差。因此,上海微系统所和西安电子科技大学合作开展智能离子刀转移晶圆级氧化镓薄膜于高导热衬底的研究。将厚度小于 400 nm 的 Ga2O3 单晶薄膜转移到高导热率的 SiC 和 Si 衬底上异质集成制备出 Ga2O3 MOSFET 器件,在温度 300 K~500 K 之间,器件导通电阻、正向饱和电流、反向漏电流、击穿电压等电学特性随温度变化很小,展现了远比体器件更优异的耐高温性能,如图 4。以上方法部分解决了氧化镓衬底热导率低的问题,为解决宽禁带半导体器件和超宽禁带半导体的散热问题提供了一个思路。



近年来,碳基电子材料与器件是国际半导体领域研究热点。其中,以金刚石为代表的超宽禁带半导体,在探测器、电子器件及光导开关等方面有着广阔的应用前景。在国际上,之前只有元素六公司出售高纯单晶金刚石( N<5 ppb) ,处于垄断地位,其产品价格高、利润大。目前西安电子科技大学采用自主研发的 MPCVD 设备实现了杂质浓度小于 10 ppb的高纯单晶金刚石外延材料。我国中电科 55 所开展氢终端金刚石 MOSFET器件研 究 已 实 现 较 好 的 指 标,输出电流达到了1.3 A/mm,截止频率达 70 GHz,最高振荡频率达120 GHz,输出功率在 1 GHz 时达到了 3.8 W/mm,在 10 GHz 时达到了 0.65 W/mm。西安电子科技大学首次采用 MoO3 作为钝化层报道了金刚石 MOSOFET 器件特性室温连续测量的稳定性,以及 200 ℃条件下的器件特性。


5G 时代正在加快发展,半导体器件在航空航天、雷达探测、通信等行业广泛应用,如图 5,新能源电动汽车、大数据中心越来越普及,在实现高性能应用的同时也面临严峻能耗问题,急需发展高效能半导体器件及产业应用。


高效能射频功率器件助力通信发展通常半导体材料的禁带越宽,就越有利于提升器件的频率和功率特性。因此,行业界期望 GaN 材料与器件能在 X 波段实现短脉冲、万瓦级的功率输出,即在脉冲占空比很小的情况下,实现万瓦级的功率输出。目前的发展状况能够做到在100 GHz 的频率下实现瓦级甚至 10 瓦级的功率输出,这将对未来 6G 通信有着重要的支撑作用。在 SiC 应用方面,SiC IGBT 器件已经有很多相关的研究,3.3 kV 的器件已经能够制造,未来希望能够做到反向阻断电压达到 2 万伏,这样就可以在特高压变电站进行输变电应用。目前,宽禁带半导体已经取得了广泛的应用,GaN 器件在 4G 通信基站的使用率达到了 100%,5G 通信基站中也将会全部用到GaN 器件。另外,宽禁带半导体器件也在国防雷达、汽车雷达、卫星方面快速融入应用。


高效能半导体器件推动电动汽车发展随着新能源汽车、电动汽车的普及,汽车行业也加入了如今的芯片竞争。与传统的汽车制造业不同,电动汽车的发展极大程度上依赖于半导体器件的发展。Cree 预计全球电动汽车领域半导体器件收入将从 2017 年的 700 万美元增至 2032 年的 150亿美元,电动汽车成为了新的增长引擎,半导体器件又打开了一个新的市场。高效能功率器件主要应用于车载 DC /DC、充电桩、充电器、变频器等方面以及能源控制器中,目前在高压大电流领域以 SiC 器件为主,在中压高频领域以 GaN 器件为主。高效能半导体器件的应用,使得电动汽车的能耗在降低的同时能够获得更好的性能和里程表现。同时,在电动车充电方面,高效能半导体器件的加入可以带来安全的高功率大电流充电技术,能够大大缩短能源补给时间,在未来可以实现与汽油车相近的续航体验。


高效能半导体器件促进照明与显示发展目前,市场上存在超过 80%的照明设备采用的光源都是 LED 灯,LED 在照明效果和能源消耗方面都有着显著优势。随着产业不断地更新换代,LED照明光源成本已经大幅下降,这是让半导体照明能够进入大众化市场的重要原因。未来的照明光源,LED 将会长期占据主导地位,这也对我们提出了更高的要求。照明设备充斥着我们的生活,也是电力消耗的一大板块,所以就要求我们开发研究出具备高能效的半导体器件,以此降低能源消耗。除了照明,下一步发展的重点就是半导体显示方面,MicroLED 将会成为半导体显示的发展重点,MicroLED 能够带来更高的显示亮度与更好的色彩表现,在能耗方面相较于传统的 LCD 屏幕能够得到很大程度上的改善。


面临的挑战


宽禁带半导体的发展为未来半导体器件的发展带来了更多的可能性,但也存在着许多问题需要解决:

①材料散热问题。许多宽禁带半导体由于材料本身导热性能很差,所以在器件正常工作过程中产生的热量无法及时排除,这会导致严重的积热问题;

②由于材料本身具有高硬度,且结构致密,所以在材料生长方面还需要做出很大的努力;

③掺杂问题。目前宽禁带半导体的掺杂存在掺杂深度低,掺杂类型单一,掺杂均匀度差等问题。


这 3 个重点问题也是实现宽禁带半导体产业化必须要解决的问题。在氧化镓方面,业界需要重点解决大尺寸、高质量氧化镓单晶的生长,以及生长过程中晶体开裂、材料均匀性等问题; 氧化镓薄膜的外延生长、设备以及P 型掺杂的实现; 氧化镓衬底的热导率难题; 需要不断创新器件结构与微纳工艺。在金刚石材料与器件方面,氢终端金刚石器件仍是研究热点,金刚石材料尺寸和成本对其器件研究的限制仍然很大,大尺寸衬底的制备是研究难点。金刚石体掺杂仍有大量科学问题亟待解决,尤其是n 型掺杂是国际性难题。


结束语


随着国家政策的倾斜和社会进步的需要,整个世界都需要高效能的大功率半导体。行业主攻的方向应该是在实现大功率半导体器件的同时,能够带来更高的能效以应对目前的环境问题、碳排放问题,支持我国“3060 碳战略”的实现。实现高效能大功率半导体器件的研发与产业化是我们共同的目标,可以确信未来半导体器件的发展有着更广阔的前景。


化合积电(厦门)半导体科技有限公司,是一家专注于第三代(宽禁带)半导体衬底材料和器件研发、生产和销售的高科技企业,致力于成为全球领先的宽禁带半导体材料和器件公司,核心产品是晶圆级金刚石热沉片金刚石基氮化镓外延片氮化铝薄膜和压电材料等。


公司具备MPCVD设备设计能力,国内首家掌握MPCVD制备高质量金刚石的核心工艺并实现量产, 并且独创基于等离子体辅助抛光的金刚石原子级表面高效精密加工方法,全球首家将金刚石热沉片表面粗糙度从数十微米级别降低至1nm以下,达到半导体级应用标准。采用金刚石热沉的大功率半导体激光器已经用于光通信,在激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等领域也都有应用。

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