郝跃院士：功率密度与辐照问题是氮化物半导体的两大挑战

4月19-21日，“攀峰聚智 芯动未来”2023中国光谷九峰山论坛暨化合物半导体产业大会在武汉光谷举行。论坛在湖北省和武汉市政府支持下，由武汉东湖新技术开发区管理委员会、第三代半导体产业技术创新战略联盟（CASA）、九峰山实验室、光谷集成电路创新平台联盟共同主办。在开幕大会主旨报告环节，中国科学院院士、西安电子科技大学教授郝跃发表演讲，介绍了化合物半导体器件进展与挑战。

郝跃院士长期从事新型宽禁带半导体材料和器件、微纳米半导体器件与高可靠集成电路等方面的科学研究与人才培养。在氮化镓∕碳化硅第三代(宽禁带)半导体功能材料和微波器件、半导体短波长光电材料与器件研究和推广、微纳米CMOS器件可靠性与失效机理研究等方面取得了系统的创新成果。

会上，郝跃院士介绍了氮化镓等宽禁带半导体材料的研究进展，也报告了其研究团队在氮化镓等材料方面所取得的突破成果。

据悉，氮化镓射频器件因其优异性能，在高新技术产业中发挥举足轻重的作用，已成为全球半导体领域的研究焦点和世界各国竞相抢占的战略制高点。

郝跃院士指出，氮化物的最大优点是，它是当前所有的宽禁带半导体中唯一一个能够做二维电子气的材料，它可以完全靠极化来不断调节二维电子气的密度，想要做什么器件，通过调节势垒层的材料和厚度即可，这是它的一个非常好的特性。

郝跃院士研究团队在氮化镓材料方面进行了多年持续研究，在高功率密度氮化镓毫米波功率器件、低损伤氮化镓增强型射频器件关键技术、低压高效率氮化镓射频功率器件、超高频氮化镓器件等技术方向取得了一系列突破进展。

例如，70nm栅长氮化镓超高频器件，是世界上第一次采用100nm工艺在AlGaN上实现fT>100GHz的器件,该器件的fT/fmax 为211/379GHz，是目前世界上频率最高的 AlGaN/GaN HEMT; 毫米波太赫兹GaN SBD射频器件,获得了国家十三五科技成就奖，该器件的开启电压仅为0.4V，大大降低了二极管的损耗。

其中，基于70nm栅长氮化镓超高频器件，实现了在k波段下55%的功率附加效率，远超砷化镓器件在这方面的表现。氮化物的这些优异特性，使得它在未来的6G通信中具有广阔应用前景。

谈及未来氮化物半导体的研究挑战，郝跃院士认为，同碳化硅一样，氮化物半导体也面临着诸多挑战，第一个挑战是它的功率密度还能高到什么程度；第二个挑战就是空间辐照问题。

郝跃院士指出，不仅在空间应用，在现在的飞机上都会出现辐照问题，如果这一问题不能得到解决，高效的电源器件就很难进入航空航天领域应用。

除了氮化物外，近年来氧化物半导体也吸引了行业的极大关注。在郝跃院士看来，虽然氧化物半导体离产业化应用还有一定的距离，但已经看到了前景。氧化物半导体的禁带宽度更宽，相比氮化镓和碳化硅，它可以实现更低的损耗。但氧化物也有弱点，就是散热问题，不解决它的散热问题，就不可能实现产业化。

目前，微系统所和西电采用smart cut转移了wafer级氧化镓薄膜于高热导率衬底，部分解决了氧化镓衬底低热导率的问题，实现了4英寸氧化镓材料的转移。

郝跃院士演讲最后指出，未来还是应该走异质异构集成的道路，化合物半导体要跟硅半导体紧密融合。他进而呼吁，国内应该成立一个开放的平台，实现硅集成电路和化合物半导体的多功能的集成，这样，无论是光电子还是传感器，或是功率电子，都可以与硅集成电路广泛的集成在一起，实现真正意义上的多功能，推动我国整个电子信息产业的不断发展。

审核编辑 ：李倩