高效能半导体器件进展与展望
随着数字时代的不断发展，中国“3060碳战略”目标的确立，绿色低碳成为我国各行业发展主要导向，其中，高效能半导体器件发展应用成为推动汽车电子、电子信息、大数据中心等领域节能降耗的重要趋势。从硅、锗为代表的传统半导体材料到现在以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体材料，再到以金刚石、氧化镓为代表的超宽禁带半导体材料，支撑半导体器件的性能不断提升，促进射频通信、高功率器件、照明器件等方面革新发展。主要介绍了宽禁带半导体和超宽禁带半导体的研究进展，分析了高效能半导体在射频通讯、汽车电子、航空航天、新型显示等新兴领域的应用前景，总结了目前超宽禁带半导体发展主要面临的难点问题，结合当前相关的研究成果，展望高效能半导体科研、技术及产业的发展趋势，对于我国半导体科技与产业发展都具有重要的指导意义。 半导体器件的发展与国家科学技术的进步息息相关，尤其在中国“3060碳战略”与可持续发展的大背景下，半导体器件对于能源产业发展有着重要支撑作用。目前，人类能源供给主要以石油、电能、煤炭三大板块为主，根据 Bloomberg NEF发布的最新调查显示，电能和石油的供给基本持平，略大于煤炭供给，且电能供给呈现较大幅度增长，预计到2050年，电能的供给将超过煤炭和石油。因此，电能的合理化利用将会是国家发展的重大需求。根据Estimate U.S. Energy Consumption在2016年发布的调查研究显示，电能的供给占总能源的37.5%，所以优化电能效率，提高能源的利用率将会是半导体器件研究的重要方向。 半导体器件在电子信息行业应用广泛，能源消耗年增长幅度为8%~ 10%，明显大于全球能耗平均2%的增速。2016年，中国数据中心总耗电1200亿kW·h，超过了三峡全年发电量，占比全国电量的2%，与农业总耗电量相当。同时电力传输过程中，电能损耗非常严重，每年有大约2/3的电能浪费于电能传输与电能转换的过程中。 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，如图1，已经成为了中国功率半导体行业研发和产业化的重点。在党和国家大政方针的引导下，亟需抓住第三代半导体的战略机遇，着力高性能高能效半导体研发与产业化。
图1：半导体材料击穿电压与导通电阻的关系结合目前半导体器件的发展情况与国家相关的政策，新型半导体器件的未来发展具有以下几个方面趋势。1)高效能半导体及器件的不断发展，将射频领域应用推向更高频率、更高功率的方向；2)高效能半导体提高功率开关器件输出功率，更大程度上为电动汽车提供更好的动力输出，提高电能利用效率；3)高效能半导体促进照明、显示行业革新发展，发挥更好的节能与显示效果；4)推动超宽禁带半导体的发展，有望进一步降低能耗，提升半导体器件的效能。
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5GHz，Vd为28V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7.0W/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。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4.8eV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 chemical vapor 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-oxide-semiconductor 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/em2，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2.1kV的器件，也是目前国际上达到最高功率因子200 MW/em的平面增强型FET。
图3:栅源复合场板结构氧化镓MOSFET器件耐高压特性 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400nm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。
图4：氧化镓MOSEFET器件电学特性与温度的关系近年来，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<5ppb)，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10ppb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1.3A/mm，截止频率达70GHz，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MOS-FET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。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100GHz的频率下实现瓦级甚至10瓦级的功率输出口，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，3.3kV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。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。
图5：高效能功率器件的应用场景
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，Micro LED将会成为半导体显示的发展重点， Micro LED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。
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。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。
