業界認為，在未來數年間，氮化鎵功率器件的成本可望壓低到和硅MOSFET、IGBT及整流器同等價格。為助力中國第三代半導體行業發展提質增效，更好地整合國內外第三代半導體行業的優勢資源，實現中國半導體行業迅速崛起。2017年11月1日，由國家半導體照明工程研發及產業聯盟、第三代半導體產業技術創新戰略聯盟、北京市順義區人民政府主辦的第十四屆中國國際半導體照明論壇暨 2017 國際第三代半導體論壇開幕大會在北京順義隆重召開。會期兩天半，同期二十余場次會議。2日上午，由中國電子科技集團第十三研究所和專用集成電路重點實驗室共同協辦的“氮化鎵功率電子器件”技術分會由香港科技大學教授陳敬主持召開。

香港科技大學教授陳敬 主持會議

 
美國倫斯勒理工學院教授周達成分享“氮化鎵和碳化硅的魯棒性與可靠性”研究報告

加拿大多倫多大學教授Wai Tung NG則帶來“GaN功率晶體管的柵極驅動器集成電路”研究報告

蘇州納維科技有限公司任國強博士分享“探索氮化物半導體的新應用”主題報告

中國科學院微電子研究所研究員黃森分享“基于超薄壁壘AlGaN / GaN 異質結構的常關型GaN MIS-HEMTs制造”報告
 

　　會上，來自美國倫斯勒理工學院教授周達成分享了“氮化鎵和碳化硅的魯棒性與可靠性”研究報告；加拿大多倫多大學教授Wai Tung NG則帶來了“GaN功率晶體管的柵極驅動器集成電路”研究報告；蘇州納維科技有限公司任國強博士分享了“探索氮化物半導體的新應用”主題報告；中國科學院微電子研究所研究員黃森以“基于超薄壁壘AlGaN / GaN 異質結構的常關型GaN MIS-HEMTs制造”做了精彩分享；英諾賽科（珠海）科技有限公司副總經理金源俊介紹了“200mm CMOS晶圓廠無分散增強型650V GaN-on-Si HEMTs 器件工藝”報告；德國ALLOS Semiconductors GmbH市場總監Alexander LOESING帶來了“無碳摻雜GaN-on-Si大外延片實現低漏電流”報告；中國科學院半導體研究所固態照明研發中心張連分享了“選擇區域生長AlGaN/GaN異質結雙極晶體管的n-AlGaN發射器”研究進展；北京大學微電子學院陶明帶來了“高擊穿電壓高和低電流崩塌的常關硅基GaN MOSHEMT”新進展。

英諾賽科（珠海）科技有限公司副總經理金源俊介紹“200mm CMOS晶圓廠無分散增強型650V GaN-on-Si HEMTs 器件工藝”報告

德國ALLOS Semiconductors GmbH市場總監Alexander LOESING帶來“無碳摻雜GaN-on-Si大外延片實現低漏電流”報告

中國科學院半導體研究所固態照明研發中心張連分享“選擇區域生長AlGaN/GaN異質結雙極晶體管的n-AlGaN發射器”研究報告

北京大學微電子學院陶明分享“高擊穿電壓高和低電流崩塌的常關硅基GaN MOSHEMT”新進展報告

 

　　周達成授表示，在過去十年中，基于兩個寬禁帶（WBG）半導體（GaN和SiC）的功率開關器件正在影響功率電子系統，這是由于其良好的工業效用和改善的性能，且比傳統的硅基器件的功率損耗低和能量效率高。他表示，通過模擬和實驗應力（如電流崩塌和高溫反偏），評估了現有的商業化GaN和SiC功率器件的強度和可靠性。同時比較研究了橫向和縱向GaN功率器件的二次擊穿。依據橫向和縱向的二次擊穿，討論了GaN功率器件的可靠性和故障，其主要受表面鈍化和緩沖層性能的影響。通過持續不斷的努力和優化，我們預計在不久的將來，這些WBG功率器件的可靠性將接近硅功率器件的可靠性。

 

　　“我們已經在（111）硅襯底上通過MOVPE生長了150mm的硅襯底GaN外延片；并且已經通過增加GaN厚度到7 ?m能夠顯示有效的隔離。同時，已經可以展示進一步提高晶體質量提高隔離效果；在XRD下的FWHM為 330arcsec（002）和420arcsec（102）。最后我們證明了通過優化GaN和Si襯底之間核/緩沖層以及GaN層的插入層的特殊的疊層設計可以減少漏電流。”德國ALLOS Semiconductors GmbH市場總監Alexander LOESING在演講時表示。

 

　　GaN基異質結雙極晶體管（HBT）具有本征優點，例如更高線性度，常關工作模式和更高的電流密度。然而，其發展進度緩慢。中國科學院半導體研究所固態照明研發中心張連表示，一個主要問題是由低自由空穴濃度引起的基極層的低導電性，以及外部基極區域的等離子體干蝕刻損傷。雖然一些研究人員使用選擇性區域再生來減輕基層的損害，但工作后沒有顯著的進步。最常見的因素之一是難以獲得高質量的選擇性區域再生長基底層和發射極層。通過使用選擇性區域生長在藍寶石上的AlGaN / GaN異質結雙極晶體管（HBT），再生長的n-AlGaN發射極金屬有機化學氣相沉積法（MOCVD）。

 

　　中國科學院微電子研究所研究員黃森表示，超薄勢壘（UTB）AlGaN / GaN異質結用于制造常關斷型GaN基MIS-HEMT。通過低壓化學氣相沉積（LPCVD）生長的SiNx鈍化膜，有效地減少了超薄勢壘（UTB） Al0.22Ga0.78N（5nm）/ GaN異質結構中2維電子氣體（2DEG）的薄層電阻。制造的Al2O3 / AlGaN / GaN MIS-HEMT表現出正常的OFF特性，具有良好的VTH均勻性和低的VTH滯后。此外，還展示了開啟電阻為0.75Ω，門寬20 mm功率器件。

 

　　為了替代商業的Si功率器件，GaN器件應當設計為增強型（e-mode），并通過低成本，可重復和可靠的生產工藝制造。英諾賽科（珠海）科技有限公司副總經理金源俊報表示，通過在柵極下添加p摻雜的GaN層，由此提升平衡態的導帶并導致電子耗盡，從而實現增強型器件。在新的或現有的200mm中制造GaN-on-Si功率器件的能力生產設施提供進一步的成本競爭力。

 

　　由于對高速、高溫和大功率半導體器件需求的不斷增長，使得半導體業重新考慮半導體所用設計和材料。隨著多種更快、更小計算器件的不斷涌現，硅材料已難以維持摩爾定律。由于氮化鎵材料所具有的獨特優勢，如噪聲系數優良、最大電流高、擊穿電壓高、振蕩頻率高等，為多種應用提供了獨特的選擇，如軍事、宇航和國防、汽車領域，以及工業、太陽能、發電和風力等高功率領域。

 

　　由于氮化鎵光電半導體在軍事、宇航、國防和消費電子的使用，使得光電半導體成為全球氮化鎵半導體器件市場的主要產品類型，并占據絕對優勢地位。其中功率半導體器件將隨著工業應用對大功率器件需求的增長成為未來增長速度最快的器件。

 

　　此外，作為會議最后一個壓軸報告，北京大學微電子學院陶明帶來了“高擊穿電壓高和低電流崩塌的常關硅基GaN MOSHEMT”新進展。他介紹了一種無等離子體、自停止的柵刻蝕技術，在優化的HEMT結構上實現了高性能的增強型GaN MOSHEMT。柵漏間距15mm的增強型GaN MOSHEMT在柵電壓8V下的最大飽和電流密度為396mA/mm，器件的開關比大于109，亞閾值擺幅為80mv/dec。柵壓10V下的柵漏電低于10-7 mA/mm。 15mm柵漏間距器件的關態擊穿電壓為1532 V，比導通電阻為2.48 mΩ.cm2，對應的Baliga優值因子為945 MW/cm2。器件的動態導通電阻在10ms脈寬（100ms周期）、400V關態漏極電應力下僅僅是靜態導通電阻的1.6倍。該增強型器件的優異性能主要得益于材料結構設計以及高質量LPCVD Si3N4鈍化在內的先進工藝流程。

 

　　對于GaN的功率器件發展而言，市場需求牽引力至關重要。由于氮化鎵材料所具有的獨特優勢，如噪聲系數優良、最大電流高、擊穿電壓高、振蕩頻率高等，為多種應用提供了獨特的選擇，如軍事、宇航和國防、汽車領域，以及工業、太陽能、發電和風力等高功率領域。使得光電半導體成為全球氮化鎵半導體器件市場的主要產品類型，并占據絕對優勢地位。其中功率半導體器件將隨著工業應用對大功率器件需求的增長成為未來增長速度最快的器件。

 

　　本次會議，主要從前沿技術進行分享，對產業及市場做了初步預判。相信，在我國加速推動第三代半導體技術及產業發展的大背景下，未來產業化規模應用只是時間問題。（根據現場速記整理，如有出入敬請諒解！）