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盘点宽禁带与超宽禁带半导体器件最新进展

2019-04-25 05:47
        

  为纪念集成电路发明60周年,由中国电子学会、国家自然科学基金委员会信息科学部、中国科学院信息技术科学部、中国工程院信息与电子工程学部共同主办的“纪念集成电路发明60周年学术会议”于10月11日在清华大学举行。 60年的集成电路发展史,实质上是一部不断发明、不断创新的文明史,每一项新的发明,都能够开辟一片全新的应用领域。随着集成电路加工技术的进步,如今,在1平方厘米的硅片上已经可以集成超过50亿个晶体管,成为可以把信息采集、信息存储、信息处理、信息传输和信息执行于一身的、众所周知的“芯片”。如今,芯片与软件一起,正在改变着我们的生产方式和生活方式,当之无愧地成为推进经济高质量发展和保障国家安全的关键核心技术,成为大国之间角逐的核心竞争力。

  中科院院士、国家自然科学基金委员会信息科学部主任、西安电子科技大学教授郝跃院士做了题为《宽禁带与超宽禁带半导体器件新进展》的报告。郝跃院士详细讲解了第三代半导体材料的优势。郝跃院士首先援引了凯文凯利最新力作《科技想要什么》中所提到的,“目前芯片商的晶体管数目已经足以执行人类想要的功能,只是我们不知道要怎么做。”,第二句则是“摩尔定律不变的曲线有助于把金钱和智力集中到一个非常具体的目标上,也就是不违背定律。工业街的每个人都明白,如果跟不上曲线,就会落后,这就是一种自驱动前进。”

  如果摩尔定律不再奏效,或者传统硅技术无法满足某些需求之时该怎么办?这时候就需要在材料上下功夫。实际上学术界和产业界也一直在找寻新的半导体材料。第一代硅锗工艺20世纪50年代就诞生了,之后磷化铟和砷化镓工艺在80年代诞生,如今第三代宽禁带与超宽禁带半导体越来越得到重视,其中宽禁带半导体商用化程度越来越高,包括氮化镓、碳化硅等,而超宽禁带半导体包括金刚石、氧化镓和氮化铝等研究也有了进展。

  郝跃院士表示,对于器件来说,既希望有低导通电阻同时又希望有高击穿电压,但这永远是矛盾体,所以需要靠材料创新来解决导通电阻和击穿电压关系。

  郝跃院士表示,宽禁带半导体具有高温、高压、高电流、低导通电阻以及高开关频率等特性,可广泛应用在高压、高频、高温以及高可靠性等领域。

  郝跃院士表示,氮化物材料体系总的发展态势非常良好,首先在光电LED领域已经取得了巨大成功;微波电子器件领域开始得到了广泛应用,尤其是在移动通信领域和国防领域(雷达、电子对抗、卫星通信等。)

  如图所示,AiN/GaN的源漏对称,频率均可到400GHz以上,因此非常适合THz研究。

  郝跃院士介绍了西电320GHz毫米波器件,利用高界面质量的凹槽半悬空栅技术,器件的fmax达320GHz,在输出功率密度一定的情况下,功率附加效率在30GHz频率下为目前国际GaN基HEMT中最高值。

  由于氮化物具有高耐压及低损耗等特点,已经被电力电子应用关注。郝跃院士等人发表在2018 IEEE EDL上的一个新结构GaN肖特基微波功率二极管,具有目前最好的BV Ron,sp,更靠近GaN Baliga理论曲线。

  如图所示,硅基氮化镓的未来有两条路,一条是高功率的模块化产品,一条是SoC化,集成更多被动元件、射频驱动等。

  郝跃院士介绍道,单晶金刚石材料生长目前已经可以实现在单个衬底上生成12mm*11mm*1.5mm的稳定单晶金刚石,结晶质量达到元素六电子级单晶产品水平,生长速度大渔20m/h。

  郝跃院士表示,金刚石由于原子密度大,掺杂和导电比较困难,所以注意依靠“氢终端表面电导”制备场效应管,不过表面电导存在迁移率低、方阻大等问题,同时也不够稳定,导电随环境、湿度、温度变化,对酸碱环境都比较敏感。

  但是,金刚石的特性非常之好,在氢终端金刚石场效应管的栅极下方引入具有转移掺杂作用的介质MoO3,RON降低到同等栅长MOSFET器件的1/3,跨导提高约3倍。

  最后,郝跃院士用基尔比发明集成电路和获得诺贝尔奖时候的照片进行对比,并希望学术界和产业界都抓紧现在的机遇,努力前行。“目前宽禁带半导体上,国外公司比如CREE等,已经开发出15000V的IGBT,而在SiC和IGBT方面,国内已有了一定的发展,但相对还是缓慢。”郝跃院士说道。

  会上王阳元院士、许居衍院士、 卢超群院士、王曦院士、刘明院士等多位重量级嘉宾分别以“创新镌刻青史,探索孕育未来纪念六十年 展望一世纪”、“迎接可重构芯片浪潮”、“科技创智将引领指数型经济成长:IC4.0加乘PI/AI之新纪元”、“智能传感器技术及产业发展趋势”、“半导体存储器技术”为题做了精彩的主题报告。

  会上还进行了2场圆桌对话。魏少军教授主持的对话主题为“集成电路发展趋势”,陈左宁院士,郝跃院士,卢超群院士,严晓浪教授作为对话嘉宾,交流和分享了各自对于集成电路发展的观点。

  严晓浪教授主持的对话主题为“集成电路人才培养与知识产权”,丁文武总裁、北京大学软件与微电子学院院长张兴教授,清华大学王志华教授,澜起科技杨崇和董事长作为对话嘉宾,分别从各自角度探讨了集成电路领域人才培养和知识产权的问题。

  此外,来自27所国家支持建设和支持筹备建设的示范性微电子学院的高校代表,全国高等院校集成电路相关专业师生,有关政府部门、科研机构、企业和金融机构、媒体等代表,近800人出席了本次学术会议。



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