当今半导体行业已进入后摩尔时代，单一半导体器件性能提升遇到瓶颈，器件与系统的联动发展已成为半导体技术发展的主题。摩尔定律遇到的困境不仅表现于Si CMOS器件，GaN微波功率器件从问世到现在也三十年了，其快速发展阶段也已经过去，GaN微波功率器件之后的新一代固态微波功率器件是什么器件？为探讨这个问题，本刊专访了中国电子科技集团有限公司制造工艺领域首席科学家陈堂胜。
陈堂胜首科作为固态微波器件与电路全国重点实验室的学术带头人，在五十五所参加工作三十多年来，始终坚守在科研一线开展化合物半导体微波功率器件和电路工艺技术研究，经历了国内GaAs、GaN微波功率器件和电路从探索到国际先进水平、基本实现与国外同步发展的跨越，为建立国内自主的GaAs、GaN微波功率器件和单片电路核心器件工艺技术作出了重要贡献，是我国第二代、第三代化合物半导体工程化技术的引领者和实干家。
陈堂胜首科认为，晶体管级异质集成技术将是后摩尔时代半导体微波器件技术发展的重要解决方案，通过将不同材料、不同结型、不同工艺的器件在同一衬底上单片集成，能够突破单一材料、单一结型器件的功能和性能限制，能够实现器件与电路功能、性能的提升，那么继传统半绝缘SiC衬底的GaN微波功率器件之后，金刚石衬底的GaN HEMT异质集成器件将成为新一代固态微波功率器件技术的首选。
金刚石衬底的GaN HEMT异质集成器件的优势、技术难点，及当前的研究现状是什么呢？陈堂胜首科对这些问题进行了一一介绍。
传统基于半绝缘SiC衬底的GaNHEMT综合了AlGaN/GaN异质结的高输运特性和半绝缘SiC衬底的高导热特性两方面优势，在高频、高功率、高效率以及宽带应用方面表现出显著的性能优势。早在2006年已验证GaN微波器件输出功率密度可达到41.4W/mm，但目前工程应用的器件其输出功率密度普遍不到10W/mm，GaN微波功率器件性能还有巨大提升空间，而散热是制约GaN器件输出功率密度提升的瓶颈。金刚石材料的热导率可达22W/（cm·K），是高纯SiC的4倍，多晶金刚石材料的热导率也可达到18W/（cm·K），也就是说，金刚石在导热方面具有天然的优势。但受限于掺杂、异质结等诸多材料关键技术的突破，多年来金刚石微波功率器件发展十分缓慢。而通过将金刚石与目前大功率器件的佼佼者──GaNHEMT进行异质集成，可有效解决现有SiC衬底GaN微波功率器件的散热瓶颈。
金刚石衬底GaN异质集成微波功率器件的核心技术有两点：一是通过金刚石与高质量GaN外延层的异质集成解决现有GaN器件的散热问题，二是通过异质结生长、器件结构设计、器件工艺等核心技术的进一步突破，提升GaN器件单位毫米栅宽极限输出功率密度，这两点结合起来，将器件可用的单位毫米栅宽输出功率密度提升到20W/mm甚至更高。
金刚石衬底GaN HEMT异质集成目前是固态微波器件与电路全国重点实验室的一个重要研究方向。陈堂胜首科向我们介绍了相关固态微波器件与电路全国重点实验室南京分部的基本情况，并重点介绍了实验室在金刚石衬底GaNHEMT异质集成器件方面的研究进展。
依托五十五所的固态微波器件与电路全国重点实验室南京分部，主要围绕固态微波领域相关半导体材料、器件、电路以及集成技术开展探索性、创新性应用基础研究和前沿技术研究。实验室拥有外延生长、器件工艺、测试分析三大技术平台，外延生长平台能够实现各类化合物半导体材料外延生长和性能表征；器件工艺平台的最小加工线宽为20nm，可满足异质集成、太赫兹等新器件技术开发需求；测试分析平台的最高测试频率达500GHz，可满足功率放大器、低噪声放大器以及微波光子器件与模块等多种类型芯片的测试需求，同时还具备聚焦离子束、多层微结构瞬态热特性等多种测试分析设备。
实验室宽禁带半导体器件与电路研究团队是原国防科工委首批授予的“国防科技创新团队”，实验室作为主体的五十五所三代半导体技术团队获得“全国创新争先奖牌”、首批“国防科技工业十大创新团队”等荣誉称号。自成立以来，实验室为主体获得包括1项国家科技进步一等奖在内的各类科技奖励40余项，授权国家发明专利200余项，发表科技论文900余篇。
从2015年开始，实验室在陈堂胜首科带领下在国内率先开展了金刚石衬底GaN微波功率器件的研究，突破了金刚石衬底GaN微波功率器件内部热传输机制、GaN外延层表面纳米级抛光以及GaN外延层与金刚石衬底低温键合等关键技术，并于2017年报道了国内首个金刚石衬底GaN微波功率器件，输出功率密度为5.5W/mm，单位面积输出功率密度是常规SiC衬底器件的2.1倍。2022年，研究团队进一步将金刚石衬底GaN器件连续波输出功率密度提升到16W/mm，并在22.4mm栅宽器件上初步验证了金刚石的散热效果。
接着，陈堂胜首科又告诉我们，金刚石衬底GaN异质集成微波功率器件不仅具有更高的单位毫米栅宽输出功率密度，还具有更低的热阻，这都是提高器件输出功率最直接、最有效的技术途径。高功率密度可提供更丰富的器件性能资源，有利于实现电路最佳效率设计，低热阻有利于提高放大器的输出功率、效率、可靠性等关键性能。金刚石衬底GaN异质集成微波功率器件将会在大功率、高热耗雷达、电子战等系统中有十分重要的应用。
最后，陈堂胜首科说道：“晶体管异质集成技术，给射频芯片行业带来了一个精彩纷呈的世界，金刚石衬底GaNHEMT，将会在新一代固态微波功率器件中大放光彩！我们每个科技工作者要有勇于创新的精神，要有攻坚克难的决心，才能更好的融入到这个半导体发展日新月异的时代。”
半导体的未来，是科技创新的舞台，让我们期待一个前景广阔的明天！
4月25-26日，DT新材料“助力碳基半导体产业化进程”为主题，联合宁波材料所、甬江实验室、宁波工程学院等团队，在宁波，共同主办第四届碳基半导体材料与器件产业发展论坛（CarbonSemi 2024），将针对金刚石半导体单晶、多晶晶圆生长、晶圆抛光、加工及应用解决方案、以及金刚石与高功率器件键合、异质集成、加工等话题展开深入探讨！
金刚石在现有的半导体产业链中如何定位，从哪些角度可以结合？
关键键装备与工艺如何创新匹配产业发展需求？
……
扫描二维码，了解更多信息
2024半导体活动推荐
2024（第八届）国际碳材料大会暨产业博览会
2024先进半导体产业博览会暨第二届先进电子材料创新大会
