以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)等寬禁帶化合物為代表的第三代半導體材料已引發全球矚目，成為全球半導體研究前沿和熱點。第三代半導體具備禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射能力強等優越性能，是固態光源、下一代射頻和電力電子器件的“核芯”，在半導體照明、消費類電子、5G移動通信、智能電網、軌道交通、雷達探測等領域有廣闊的應用前景。

　　預計到2020年，第三代半導體技術應用將在節能減排、信息技術、國防三大領域催生上萬億元的潛在市場，而氮化鎵器件很可能成為推動整個電子電力效率提升的關鍵動力之一。

 

　　2016年11月15日至17日，中國科技部與北京市人民政府主辦的2016中國(北京)跨國技術轉移大會暨第三代半導體國際論壇（以下簡稱“跨國技術轉移大會”）在北京國際會議中心舉行。其中，大會從技術、產業、應用等全鏈條策劃，通過高峰論壇、專題研討、應用峰會、合作論壇和創新大賽等多種形式，圍繞第三代半導體的前沿發展和技術應用設置多個專場重點討論。

 

　　該分會主題涵蓋大尺寸襯底上橫向或縱向氮化鎵器件外延結構與生長、氮化鎵電力電子器件的新結構與新工藝開發、高效高速氮化鎵功率模塊設計與制造，氮化鎵功率應用與可靠性以及其它新型寬禁帶半導體電力電子器件等。特別邀請到美國弗吉尼亞理工大學、麻省理工學院、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所、美國Veeco 公司、臺灣交通大學、蘇州晶湛半導體有限公司、日本名古屋工大學、香港科技大學、比利時EpiGaNnv公司、浙江大學、中山大學、國科激光等國內外頂尖從事氮化鎵等第三代半導體電力電子器件研究的專家及企業首席技術官到場作主題報告。

 

　　被稱為“終極半導體材料”的氮化鎵研究和應用是全球半導體研究的前沿和熱點，在光電子器件和微電子器件領域市場前景廣闊。目前全球功率轉化器件每年約有150億美元的市場規模，而氮化鎵可以直接替代的市場至少可達20%，這還不包括尚待發展的領域，比如電動汽車等新興潛力市場。

　　美國弗吉尼亞理工大學教授、美國工程院院士Fred C. LEE以“GaN引領變革”為題。他表示，目前在功率電子產品的生產中，必須考慮品質和可靠性，重點是實現高效率、高功率密度和低成本。這個領域未來的發展將會與功率器件、材料和制造技術的進展緊密相關。隨著寬帶隙功率器件的最新進展，相信交換器的產生將會在很大程度上影響以上三個方面。

 

　　很明顯，對于任何設計，如果簡單地用WBG替換硅器件，將會獲得效率的提高。盡管這是一個很大的貢獻，但是僅僅停留于此對WBG不公平。WBG器件能夠在更高頻率下工作。因此，可以采用WBG將器件尺寸降低5-10倍，并且在一些應用中已經實現。僅僅停留于此，不能充分發揮WBG的潛力。設計與現有的硅器件相比，轉換頻率為10X，20X甚至50X的轉換器，是充滿挑戰性的。某些這種的設計不僅能夠提高性能，并且能夠在生產中減少勞動量。

　　麻省理工學院教授Tomas PALACIOS的學生yuhao zhang博士來代他介紹了“電力電子采用的低成本高性能的垂直GaN二極管和晶體管”主題報告。他表示，基于寬禁帶半導體的電力電子器件有望極大地減小電力轉化電路和系統的損耗以及提高功率密度，進而減小10%當前全世界的能量消耗。

 

　　垂直結構的氮化鎵電力電子器件非常有希望于應用于下一代電力電子系統中。相比于水平結構氮化鎵電力電子器件，垂直結構器件可以在不增加芯片面積的情況下實現較大的耐壓和電流，以及更好的散熱性能。但是，氮化鎵襯底的高成本成為掣肘垂直結構的氮化鎵器件商品化的重要瓶頸。

 

　　隨后，yuhao zhang介紹了一種新型的垂直結構肖特基二極管。它利用MIS、trench和filed ring等結構，可以極高地提高二極管的耐壓并減小反向漏電流。其次，我們將介紹一種新型的垂直結構三極管。它不需要使用p型氮化鎵，可以實現常關型性能。最后，雖然利用氮化鎵襯底可以實現較高的性能，我們介紹我們在低成本的硅襯底上同樣實現了高性能的氮化鎵器件，這有望于極大地降低氮化鎵垂直器件的成本。

　　公認的CaN基功率器件最有前景的商業化方式是直接生長在低成本大直徑的硅片上。中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員孫錢介紹了“硅襯底p-GaN柵生長的常關型GaN基HEMT器件”研究報告。報告中提出，采用多層AlN/AlGaN來克服在Si上生長無縫的高品質Ga(Al)N時產生的晶格常數和熱膨脹系數的嚴重失配。本文研究對高阻抗的Ga(Al)N進行碳摻雜與其電擊穿特性的相關性。

 

　　對于GaN基功率器件的實際應用，增強模HEMT能夠有效地避免失效，并且簡化電路。由于技術手段的不足，p-GaN門的生產通常不采用HEMT。為有效控制閾值電壓，并且降低2DEG特性的退化，對p-GaN進行有效的Mg摻雜，并且減小擴散。在非門區域對p-GaN層進行刻蝕，有很好的一致性。會議上將報導生產的p-GaN gate HEMTs的器件特性。

　　緊接著，來自美國Veeco公司Mark Mackee分享了從單晶反應腔技術到電力電子大批量制造的GaN-Si MOCVD發展；臺灣交通大學教授、副校長張翼介紹了La2O3/SiO2鈍化和銅金屬化的氮化鎵增強型HEMT 器件最新研究進展；蘇州晶湛半導體有限公司總裁程凱介紹了電力電子應用的硅基氮化鎵平臺等報告。

　　張翼表示，氮化鎵及其相關材料因其高帶隙性質有望成為高功率和高頻應用材料。生長在大型硅基底的氮化鎵高電子遷移率場效晶體管（ HEMT）被認為可以在保持應有表現的情況下顯著減少功率切換器件的生產成本。為了達到高效率，低電流崩塌的氮化鎵 HEMT器件的功率開關應用中，需要考慮不同的材料和工藝問題。在這次談話中，用La2O3/SiO2 鈍化GaN HEMT。為了實現正常關閉裝置，展示了以下幾種方法，包括門槽，F等離子處理和高k隔層嵌入。為了降低生產成本，對全銅基金屬化GaN HEMT進行實驗。展示使用上述技術的GaN模塊的性能。

　　程凱認為，硅基氮化鎵是下一代電力電子的劃時代技術。廣泛使用的高質量硅基氮化鎵材料是實現GaN功率器件的大規模生產的關鍵。在演講中，他展示了最近關于高電壓大尺寸硅基氮化鎵外延晶片的成果。通過使用 multiple-(Al)GaN 過渡層，可以證明厚（> 4um）氮化物緩沖層具有> 1000V的垂直擊穿電壓。

 

　　下半場，也力邀六位嘉賓帶來高質量學術報告，其中有日本名古屋工大教授江川孝志、香港科技大學教授陳敬、比利時EpiGaNnv首席執行官兼共同創始人Marianne GERMAIN、浙江大學副教授，青年千人計劃楊樹、中山大學教授劉揚和北京國科世紀激光技術有限公司總經理張國新。

 

　　其中，日本名古屋工大教授江川孝志講述了200毫米硅襯底AlGaN/GaN基HEMT的異質外延生長和器件特征的最新進展。GaN器件的電子特性使其成為低損耗，高功率開關應用的理想選擇。硅襯底的優勢在于可使GaN長達200毫米的直徑范圍上生長，這為CMOS的集成提供了機會。GaN和Si之間存在較大的晶格及熱膨脹系數不匹配限制了高質量硅基GaN的發展，從而導致高位錯密度，晶圓彎曲和裂紋形成。因此，為提高裝置性能，發展最小晶圓彎度、無裂紋的高質量硅基GaN勢在必行。

 

　　為了得到高質量的GaN外延層， AlN成核層在硅上的沉積非常重要。通過優化生長條件并利用SLS技術，8英寸硅基上成功生長AlGaN/GaN異質結構。外延晶片的流動性為1750 cm2/Vs，薄片載流子密度為1x1013 cm-2，彎曲值為50 mm。常關器件制作采用閘門門槽和MOS技術。該器件漏極電流的最大值為300 mA/mm，低漏電流和擊穿電壓分別為825 V。這些結果表明，常關器件在使用SLS促進AlGaN/GaN異質結構生長方面具有潛能。

 

　　GaN MIS-HEMTs（金屬-絕緣體-半導體HEMT）或 MIS-FET（金屬-絕緣體-半導體 FET），具有抑制柵極泄漏，增強柵極擺動的優點，優于傳統的肖特基柵HEMT高壓電力開關。然而，柵極絕緣層另外創建了一個新的介電/ III-N接口，其在界面通常存在于高密度(1012-1014 cm-2eV-1) 淺層和深層陷阱（短期和長期的發射時間常數鬷t ），這就形成了巨大的挑戰。

 

　　香港科技大學教授陳敬作題為“氮化鎵功率器件MIS門結構的穩定性和可靠性”主題報告，報告中對GaN MIS-HEMTs閘極介電層和具有增強的穩定性和可靠性的MIS-FETs的幾項技術予以介紹。這些技術包括：1）采用氮化界面層(NIL)技術在電介質與GaN之間創建低陷阱密度界面；2）整合 NIL，門槽，氟植入正常的GaN晶體管； 3）LPCVD制備低漏電長壽命氮化硅和柵介質（低壓化學氣相沉積）。

 

　　緊接著，來自比利時EpiGaNnv首席執行官兼共同創始人Marianne GERMAIN，介紹了“大直徑硅外延片上的氮化鎵高效率的功率切換”研究報告；她表示，為延伸硅材料的電力電子特性，必須采用GaN-on-Si技術。該技術能夠減小能量損耗（能量供給，動力驅動），并且能夠允許高的操作溫度（服務器，電動車輛……），同時減小功率轉換器（電腦電源、汽車、空間……）的體積和重量。GaN-on-Si技術能夠打破硅邊界的高效功率轉換的決定性優勢在于它很好地將高性能和低成本結合在一起。這主要歸功于使用低成本硅襯底，可以獲得大硅片，完全兼容于現有的硅生產線和生產車間。本文將給出最新的150 nm和200 nm晶圓的發展，在室溫和150℃條件下減小泄漏結構，具有極好的動態電阻特性，適合高電壓開關應用。

 

　　浙江大學副教授，青年千人計劃楊樹在作“硅基氮化鎵功率器件緩沖層引發的挑戰”報告，報告中指出，氮化鎵（GaN）憑借寬禁帶、高電子遷移率、高擊穿電場等優異材料特性，能夠在電力電子應用中提供高耐壓、高頻率、小尺寸、高效能、耐高溫等理想性能，在可移動電子設備、家用電器、光伏逆變器、數據中心等領域有著具有廣闊應用前景。

 

　　相比于藍寶石、碳化硅和體氮化鎵襯底，在硅襯底上外延生長III族氮化物異質結結構（也就是硅基氮化鎵），不僅利于增大晶圓尺寸和降低成本，而且與硅工藝線兼容從而可實現氮化鎵基與硅基器件、電路的片上集成，被認為是產業化中最具競爭力的發展方向之一。報告中,緩沖層陷阱對于硅基氮化鎵電力電子器件阻斷漏電流和動態性能的影響機理，并且總結回顧在緩沖層材料生長優化和襯底工程中的最新進展。

 

　　Si襯底上凹槽柵增強型GaN MOSFET 器件在業界被認為是產業發展的主流方向。由于MOS柵界面存在嚴重的電子俘獲效應，其一直面臨閾值電壓的不穩定性問題。中山大學教授劉揚作了“硅襯底采用選擇性區域生長高質量MOS界面的槽柵增強型GaN MOSFET”研究報告中表示，作為一種可選方案，選區外延技術（SAG）被用于實現器件的增強型特性，其原理是通過再生長薄層AlGaN/GaN異質結構，從而自然形成凹槽柵。SAG方案的主要目的之一是獲得無晶格損傷的槽柵結構，然而，由于選區外延工藝未能得到優化，這一優勢在我們之前的工作中并未充分得以體現。而選區生長的異質結構質量是這種器件關鍵之一。最近，我們通過將SAG界面與2DEG界面相分離以及抑制背景Si 施主雜質，從而實現了與傳統一次外延同等質量的高性能AlGaN/GaN異質結構的再生長。

 

　　作為本場分會最后一位重要報告，是來自北京國科世紀激光技術有限公司總經理張國新（同事代講）帶來“全固態激光技術在第三代半導體中的應用”學術報告。報告中對激光器種類，按波段及脈寬分類；激光加工介紹，不同波段脈寬激光作用機理；激光劃片：紫外激光用于碳化硅、氮化鎵襯底劃片；激光打孔：皮秒激光碳化硅、氮化鎵襯底打孔；及國科激光激光器介紹等。