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中国科学院院士郝跃:第三代半导体的若干新进展

中国科学院院士郝跃:第三代半导体的若干新进展

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来源:内容转自宽禁带半导体技术创新联盟,谢谢。


第三代半导体具有优越的功率特性、高频特性、高能效和低损耗等特性,目前已经成为全球大国博弈的焦点。


——中国科学院院士、国家自然科学基金委员会信息科学部主任郝跃


10月26日,中国科学院院士、国家自然科学基金委员会信息科学部主任郝跃,在江苏昆山以《第三代半导体的若干新进展》为题作主旨报告。报告指出,第三代半导体具有优越的功率特性、高频特性、高能效和低损耗等特性,目前已经成为全球大国博弈的焦点。当前,第三代半导体技术发展面临诸多挑战,如高可靠性,要通过半导体器件与材料的产教融合创新研发使其大有作为。在细分领域形成中国真正的产业链,从而推动科技和产业的发展。

半导体芯片长期处于大国科技和产业博弈的最前沿,是作为微电子器件领域的重要分支,对物联网、信息产业、武器装备、生物医疗、智能产业的发展具有重要意义。进入本世纪以来,半导体领域科技和应用具有两大主要成就,一是14nm以后的FinFET技术,推动了集成电路的不断发展;二是以氮化镓、碳化硅、氧化镓为代表的第三代(宽禁带)半导体器件技术,有进一步发展超越的趋势。

第三代半导体是指禁带宽度Eg>2eV的半导体材料, Eg>4eV 的材料为超宽禁带半导体。半导体器件的发展影响着国家安全、能源能耗及社会发展。近年来,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体及超宽禁带半导体材料具有耐高压、低功耗的显著优势,已经成为了中国功率半导体行业研发和产业化的重点。

第三代半导体的优势特性


从产业与科技的预期来讲,第三代半导体具有高功率特性、高效率和低损耗特性、高频率特性。

第一,优越的高功率特性。


第三代(宽禁带)半导体在高温高压、高功率、高电流密度和低导通电阻方面,具有明显优势。以往,由于所需驱动功率小、开关速度快,硅基的MOSFET在600V以下的应用中占据主流,由于导通损耗低、开关速度较快、耐压等级高、工作结温高、驱动方便,硅基的IGBT占据了600V~6500V高压应用市场。而碳化硅这类宽禁带半导体相比硅基IGBT更有性能突破的可能。

碳化硅适合中高压,650伏以上的电压等级。主要应用场景是新能源汽车、光伏逆变器以及工业的一些应用领域。氮化镓适合中低压,650伏以下,主要应用场景是快充,手机快充消费电子快充等。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。因此,第三代半导体的市场份额也在逐步增加。

第二,优越的高效率和低损耗特性。


导通电阻是硅器件的近1/1000(在相同的电压/电流等级下),可以大大降低器件的导通损耗。宽禁带半导体能提供低阻抗,以降低导通损耗,实现能效的提升。

第三,优越的高频特性。


GaN电子器件是在衬底材料上外延生长势垒层/沟道层材料。该结构可以实现高密度和高迁移率(速度)的2DEG,这是实现微波和大功率半导体器件的关键。

高频高压是第三代半导体材料器件的最大特性,最早被应用的第三代半导体材料器件包括碳化硅(SiC)、高频和短波器件,目前应用市场已成熟,同时碳化硅(SiC)器件也适用于极端的工作环境。42GHz 碳化硅 CMESFET 在军用雷达和通信领域的应用成为各国角逐的领域。

第四,氧化镓半导体新器件(超宽禁带半导体)


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。

与当前产业界火热的第三代半导体GaN和SiC相比,Ga2O3功率器件在相同耐压情况下具有更低的导通电阻,应用于电能转换领域将实现更低的功耗和更高的转换效率。因此,近年来,氧化镓半导体已成为半导体国际研究热点和大国技术竞争制高点。

2018年以来,在郝跃院士领导下,西安电子科技大学通过自主氧化镓生长MOCVD设备、高质量氧化镓外延材料、高压器件新结构与新工艺等一系列技术创新,实现了氧化镓功率二极管和功率晶体管性能的高速提升,取得了多项里程碑成果,使我国氧化镓功率器件研究水平进入国际前列。



超宽禁带半导体成为博弈焦点


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。

8月12日,美国商务部发布临时最终规定,对涉及GAAFET(全栅场效应晶体管)结构集成电路所必须的ECAD软件;金刚石和氧化镓为代表的产款禁带半导体材料;燃气涡轮发动机使用的压力增益燃烧(PGC)等四项技术实施新的出口管制。超宽禁带半导体成为博弈焦点。


第三代半导体发展面临的挑战


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,新能源电动汽车、大数据中心越来越普及。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。

在氮化镓领域存在以下挑战:频率是否还能做的更高;高线性和低工作电压的问题;氮化镓的材料能不能进一步在6寸、8寸硅衬底甚至12寸上做得更好;高压(1万伏)的电力电子器件是否能做得更高;高可靠器件问题。

在碳化硅领域,第一个挑战是能否实现大尺寸、低缺陷的完美衬底材料;在超高压、超大功率和低损耗器件方面,是否还能做得更高;高可靠器件问题。

此外,宽禁带、其他化合物与硅异质异构集成电路,能否同时实现氮化镓和硅CMOS?在宽禁带半导体器件与电路设计方法学方面,由于硅和砷化镓不一样,设计上、封装上如何实现扬长避短、组合优化也颇受业内关注。


*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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