高效能半導體器件進展與展望
2021年12月28日 15:15瀏覽：2453
隨著數字時代的不斷發展，中國“3060碳戰略”目標的確立，綠色低碳成為我國各行業發展主要導向，其中，高效能半導體器件發展應用成為推動汽車電子、電子信息、大數據中心等領域節能降耗的重要趨勢。
從硅、鍺為代表的傳統半導體材料到現在以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體材料，再到以金剛石、氧化鎵為代表的超寬禁帶半導體材料，支撐半導體器件的性能不斷提升，促進射頻通信、高功率器件、照明器件等方面革新發展
。主要介紹了寬禁帶半導體和超寬禁帶半導體的研究進展，分析了高效能半導體在射頻通訊、汽車電子、航空航天、新型顯示等新興領域的應用前景，總結了目前超寬禁帶半導體發展主要面臨的難點問題，結合當前相關的研究成果，展望高效能半導體科研、技術及產業的發展趨勢，對于我國半導體科技與產業發展都具有重要的指導意義。
半導體器件的發展與國家科學技術的進步息息相關，尤其在中國“3060碳戰略”與可持續發展的大背景下，半導體器件對于能源產業發展有著重要支撐作用。
目前，人類能源供給主要以石油、電能、煤炭三大板塊為主，根據 Bloomberg NEF發布的最新調查顯示，電能和石油的供給基本持平，略大于煤炭供給，且電能供給呈現較大幅度增長，預計到2050年，電能的供給將超過煤炭和石油。
因此，電能的合理化利用將會是國家發展的重大需求。
根據Estimate U.S. Energy Consumption在2016年發布的調查研究顯示，電能的供給占總能源的37.5%，所以優化電能效率，提高能源的利用率將會是半導體器件研究的重要方向。
半導體器件在電子信息行業應用廣泛，能源消耗年增長幅度為8%~ 10%，明顯大于全球能耗平均2%的增速。
2016年，中國數據中心總耗電1200億kW·h，超過了三峽全年發電量，占比全國電量的2%，與農業總耗電量相當。
同時電力傳輸過程中，電能損耗非常嚴重，每年有大約2/3的電能浪費于電能傳輸與電能轉換的過程中。
半導體器件的發展影響著國家安全、能源能耗及社會發展。近年來，以碳化硅(
SiC
)、氮化鎵(
GaN
)為代表的第三代半導體及超寬禁帶半導體材料具有耐高壓、低功耗的顯著優勢，如圖1，已經成為了中國功率半導體行業研發和產業化的重點。在黨和國家大政方針的引導下，亟需抓住第三代半導體的戰略機遇，著力高性能高能效半導體研發與產業化。
圖1：半導體材料擊穿電壓與導通電阻的關系
結合目前半導體器件的發展情況與國家相關的政策，
新型半導體器件的未來發展具有以下幾個方面趨勢。
1)高效能半導體及器件的不斷發展，將射頻領域應用推向更高頻率、更高功率的方向；
2)高效能半導體提高功率開關器件輸出功率，更大程度上為電動汽車提供更好的動力輸出，提高電能利用效率；
3)高效能半導體促進照明、顯示行業革新發展，發揮更好的節能與顯示效果；
4)推動超寬禁帶半導體的發展，有望進一步降低能耗，提升半導體器件的效能。
由于纖鋅礦結構的GaN材料具備很強的自發極化和壓電極化效應，使其在AlGaN/GaN界面會形成高電子遷移率的二維電子氣(
2DEG
)，2DEG導電能力遠大于傳統半導體器件導電溝道，這也是GaN器件能夠實現高頻高功率的原因。
目前在材料方面，國內GaN，SiC的材料生長已實現國產化，這為我國第三代半導體器件的發展奠定了良好的基礎。在器件方面，國內也取得了非常好的進展，一大批高性能GaN器件從實驗室、研究所走出，開啟第三代半導體器件的廣泛應用。
西安電子科技大學開展了面向5G的C波段的GaN大功率射頻器件的研究，如圖2，在頻率為5GHz，Vd為28V時進行三次諧波調制研究，連續波工作狀態下，器件的功率附加效率到達了目前國際最高指標85.16%，且功率密度為7.0W/mm，功率增益為14.9 dB，這也為6G通信的發展提供了強有力的支撐，為未來毫米波通信奠定了重要的基礎。
寬禁帶半導體材料已經能較好支撐高效能半導體器件的發展。近幾年來，學術界正在發展超寬禁帶半導體氧化鎵，Ga2O3具有4.8eV的禁帶寬度。超寬禁帶半導體在理論上具備更高的擊穿電壓、更大的功率密度，為高功率、高壓器件的發展提供了新的思路，讓我們對未來半導體器件的發展充滿期望。
目前，西安電子科技大學自主研發了氧化鎵金屬有機化合物化學氣相淀積(
metal-organic chemical vapor deposition， MOCVD
)設備，該設備已經能夠支撐超寬禁帶半導體材料及器件的研究。2020 年，中電科13 所與西安電子科技大學合作研發Ga2O3金屬氧化物半導體場效應晶體管(
metal-oxide-semiconductor field- effect transistor， MOSFET
) 器件，如圖3，采用柵極和源極復合場板結構，實現了高達2.9 kV的擊穿電壓，功率指數因子達278 MW/em2，這是目前國際上MOSFET器件達到的最高功率因子；同年，西安電子科技大學還采用鐵電柵介質HZO誘導勢壘捕獲電子耗盡溝道實現了擊穿電壓為2.1kV的器件，也是目前國際上達到最高功率因子200 MW/em的平面增強型FET。
圖3:柵源復合場板結構氧化鎵MOSFET器件耐高壓特性
然而，
氧化鎵材料的短板主要在于導電性能較差
。
因此，上海微系統所和西安電子科技大學合作開展智能離子刀轉移晶圓級氧化鎵薄膜于高導熱襯底的研究。將厚度小于400nm的Ga2O3 單晶薄膜轉移到高導熱率的SiC和Si襯底，上異質集成制備出Ga2O3 MOSFET器件，在溫度300 K~500 K之間，器件導通電阻、正向飽和電流、反向漏電流、擊穿電壓等電學特性隨溫度變化很小，展現了遠比體器件更優異的耐高溫性能，如圖4。以上方法部分解決了氧化鎵襯底熱導率低的問題，為解決寬禁帶半導體器件和超寬禁帶半導體的散熱問題提供了一個思路。
圖4：氧化鎵MOSEFET器件電學特性與溫度的關系
近年來，碳基電子材料與器件是國際半導體領域研究熱點。其中，以金剛石為代表的超寬禁帶半導體，在探測器、電子器件及光導開關等方面有著廣闊的應用前景
。在國際上，之前只有元素六公司出售高純單晶金剛石(
N<5ppb
)，處于壟斷地位，其產品價格高、利潤大。目前西安電子科技大學采用自主研發的MPCVD設備實現了雜質濃度小于10ppb的高純單晶金剛石外延材料。
我國中電科55所開展氫終端金剛石MOSFET器件研究已實現較好的指標，輸出電流達到了1.3A/mm，截止頻率達70GHz，最高振蕩頻率達120 GHz，輸出功率在1 GHz時達到了3.8 W /mm，在10 GHz時達到了0.65 W/mm。西安電子科技大學首次采用MoO3作為鈍化層報道了金剛石MOS-FET器件特性室溫連續測量的穩定性，以及200 ℃條件下的器件特性。
5G時代正在加快發展，半導體器件在航空航天、雷達探測、通信等行業廣泛應用，如圖5，新能源電動汽車、大數據中心越來越普及，在實現高性能應用的同時也面臨嚴峻能耗問題，急需發展高效能半導體器件及產業應用。
通常半導體材料的禁帶越寬，就越有利于提升器件的頻率和功率特性。因此，行業界期望GaN材料與器件能在X波段實現短脈沖、萬瓦級的功率輸出，即在脈沖占空比很小的情況下，實現萬瓦級的功率輸出。目前的發展狀況能夠做到在100GHz的頻率下實現瓦級甚至10瓦級的功率輸出口，這將對未來6G通信有著重要的支撐作用。在SiC應用方面，SiC IGBT器件已經有很多相關的研究，3.3kV的器件已經能夠制造，未來希望能夠做到反向阻斷電壓達到2萬伏，這樣就可以在特高壓變電站進行輸變電應用。目前，寬禁帶半導體已經取得了廣泛的應用，GaN器件在4G通信基站的使用率達到了100%，5G通信基站中也將會全部用到GaN器件。另外，寬禁帶半導體器件也在國防雷達、汽車雷達、衛星方面快速融入應用。
隨著新能源汽車、電動汽車的普及，汽車行業也加入了如今的芯片競爭。與傳統的汽車制造業不同，電動汽車的發展極大程度上依賴于半導體器件的發展。Cree預計全球電動汽車領域半導體器件收入將從2017年的700萬美元增至2032年的150億美元，電動汽車成為了新的增長引擎，半導體器件又打開了一個新的市場。高效能功率器件主要應用于車載DC/DC、充電樁、充電器、變頻器等方面以及能源控制器中，目前在高壓大電流領域以SiC器件為主，在中壓高頻領域以GaN器件為主。高效能半導體器件的應用，使得電動汽車的能耗在降低的同時能夠獲得更好的性能和里程表現。同時，在電動車充電方面，高效能半導體器件的加入可以帶來安全的高功率大電流充電技術，能夠大大縮短能源補給時間，在未來可以實現與汽油車相近的續航體驗。
圖5：高效能功率器件的應用場景
目前，市場上存在超過80%的照明設備采用的光源都是LED燈，LED在照明效果和能源消耗方面都有著顯著優勢。隨著產業不斷地更新換代，LED照明光源成本已經大幅下降，這是讓半導體照明能夠進入大眾化市場的重要原因。未來的照明光源，LED將會長期占據主導地位，這也對我們提出了更高的要求。照明設備充斥著我們的生活，也是電力消耗的一大板塊，所以就要求我們開發研究出具備高能效的半導體器件，以此降低能源消耗。除了照明，下一步發展的重點就是半導體顯示方面，Micro LED將會成為半導體顯示的發展重點， Micro LED能夠帶來更高的顯示亮度與更好的色彩表現，在能耗方面相較于傳統的LCD屏幕能夠得到很大程度上的改善。
寬禁帶半導體的發展為未來半導體器件的發展帶來了更多的可能性，但也存在著許多問題需要解決:
①材料散熱問題
。
許多寬禁帶半導體由于材料本身導熱性能很差，所以在器件正常工作過程中產生的熱量無法及時排除，這會導致嚴重的積熱問題；
②由于材料本身具有高硬度，且結構致密，所以在材料生長方面還需要做出很大的努力；③摻雜問題
。目前寬禁帶半導體的摻雜存在摻雜深度低，摻雜類型單一，摻雜均勻度差等問題。這3個重點問題也是實現寬禁帶半導體產業化必須要解決的問題。
在氧化鎵方面，業界需要重點解決大尺寸、高質量氧化鎵單晶的生長，以及生長過程中晶體開裂、材料均勻性等問題；氧化鎵薄膜的外延生長、設備以及P型摻雜的實現；氧化鎵襯底的熱導率難題；需要不斷創新器件結構與微納工藝。
在金剛石材料與器件方面，氫終端金剛石器件仍是研究熱點，金剛石材料尺寸和成本對其器件研究的限制仍然很大，大尺寸襯底的制備是研究難點。金剛石體摻雜仍有大量科學問題亟待解決，尤其是n型摻雜是國際性難題。
隨著國家政策的傾斜和社會進步的需要，整個世界都需要高效能的大功率半導體。行業主攻的方向應該是在實現大功率半導體器件的同時，能夠帶來更高的能效以應對目前的環境問題、碳排放問題，支持我國“3060碳戰略”的實現。實現高效能大功率半導體器件的研發與產業化是我們共同的目標，可以確信未來半導體器件的發展有著更廣闊的前景。
技術鄰APP
工程師必備
