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郝躍院士:功率密度與輻照問題是氮化物半導(dǎo)體的兩大挑戰(zhàn)

第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè) ? 來源:第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè) ? 2023-04-26 10:21 ? 次閱讀
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4月19-21日,“攀峰聚智 芯動未來”2023中國光谷九峰山論壇暨化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)大會在武漢光谷舉行。論壇在湖北省和武漢市政府支持下,由武漢東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)管理委員會、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟(CASA)、九峰山實驗室、光谷集成電路創(chuàng)新平臺聯(lián)盟共同主辦。在開幕大會主旨報告環(huán)節(jié),中國科學(xué)院院士、西安電子科技大學(xué)教授郝躍發(fā)表演講,介紹了化合物半導(dǎo)體器件進展與挑戰(zhàn)。

郝躍院士長期從事新型寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件、微納米半導(dǎo)體器件與高可靠集成電路等方面的科學(xué)研究與人才培養(yǎng)。在氮化鎵∕碳化硅第三代(寬禁帶)半導(dǎo)體功能材料和微波器件、半導(dǎo)體短波長光電材料與器件研究和推廣、微納米CMOS器件可靠性與失效機理研究等方面取得了系統(tǒng)的創(chuàng)新成果。

會上,郝躍院士介紹了氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體材料的研究進展,也報告了其研究團隊在氮化鎵等材料方面所取得的突破成果。

據(jù)悉,氮化鎵射頻器件因其優(yōu)異性能,在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮舉足輕重的作用,已成為全球半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究焦點和世界各國競相搶占的戰(zhàn)略制高點。

郝躍院士指出,氮化物的最大優(yōu)點是,它是當前所有的寬禁帶半導(dǎo)體中唯一一個能夠做二維電子氣的材料,它可以完全靠極化來不斷調(diào)節(jié)二維電子氣的密度,想要做什么器件,通過調(diào)節(jié)勢壘層的材料和厚度即可,這是它的一個非常好的特性。

郝躍院士研究團隊在氮化鎵材料方面進行了多年持續(xù)研究,在高功率密度氮化鎵毫米波功率器件、低損傷氮化鎵增強型射頻器件關(guān)鍵技術(shù)、低壓高效率氮化鎵射頻功率器件、超高頻氮化鎵器件等技術(shù)方向取得了一系列突破進展。

例如,70nm柵長氮化鎵超高頻器件,是世界上第一次采用100nm工藝在AlGaN上實現(xiàn)fT>100GHz的器件,該器件的fT/fmax 為211/379GHz,是目前世界上頻率最高的 AlGaN/GaN HEMT; 毫米波太赫茲GaN SBD射頻器件,獲得了國家十三五科技成就獎,該器件的開啟電壓僅為0.4V,大大降低了二極管的損耗。

其中,基于70nm柵長氮化鎵超高頻器件,實現(xiàn)了在k波段下55%的功率附加效率,遠超砷化鎵器件在這方面的表現(xiàn)。氮化物的這些優(yōu)異特性,使得它在未來的6G通信中具有廣闊應(yīng)用前景。

談及未來氮化物半導(dǎo)體的研究挑戰(zhàn),郝躍院士認為,同碳化硅一樣,氮化物半導(dǎo)體也面臨著諸多挑戰(zhàn),第一個挑戰(zhàn)是它的功率密度還能高到什么程度;第二個挑戰(zhàn)就是空間輻照問題。

郝躍院士指出,不僅在空間應(yīng)用,在現(xiàn)在的飛機上都會出現(xiàn)輻照問題,如果這一問題不能得到解決,高效的電源器件就很難進入航空航天領(lǐng)域應(yīng)用。

除了氮化物外,近年來氧化物半導(dǎo)體也吸引了行業(yè)的極大關(guān)注。在郝躍院士看來,雖然氧化物半導(dǎo)體離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有一定的距離,但已經(jīng)看到了前景。氧化物半導(dǎo)體的禁帶寬度更寬,相比氮化鎵和碳化硅,它可以實現(xiàn)更低的損耗。但氧化物也有弱點,就是散熱問題,不解決它的散熱問題,就不可能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

目前,微系統(tǒng)所和西電采用smart cut轉(zhuǎn)移了wafer級氧化鎵薄膜于高熱導(dǎo)率襯底,部分解決了氧化鎵襯底低熱導(dǎo)率的問題,實現(xiàn)了4英寸氧化鎵材料的轉(zhuǎn)移。

郝躍院士演講最后指出,未來還是應(yīng)該走異質(zhì)異構(gòu)集成的道路,化合物半導(dǎo)體要跟硅半導(dǎo)體緊密融合。他進而呼吁,國內(nèi)應(yīng)該成立一個開放的平臺,實現(xiàn)硅集成電路和化合物半導(dǎo)體的多功能的集成,這樣,無論是光電子還是傳感器,或是功率電子,都可以與硅集成電路廣泛的集成在一起,實現(xiàn)真正意義上的多功能,推動我國整個電子信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展。

審核編輯 :李倩

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原文標題:郝躍院士:功率密度與輻照問題是氮化物半導(dǎo)體的兩大挑戰(zhàn)

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