微電子技術顯著推動了信息化社會的發展，以氮化鎵和碳化硅為代表的寬禁帶半導體與氧化鎵和金剛石為代表的超寬禁帶半導體是繼硅和砷化鎵之后的第三代半導體材料。這個報告主要介紹第三代半導體材料的新進展，對微電子產業或者集成電路產業有所幫助。
摩爾定律：過去50 年半導體產業唯一主題
在過去的50 年，摩爾定律，幾乎成了半導體產業界唯一的主題。
凱文·凱利在其著作《科技想要什么》中對摩爾定律是否能延續進行了兩點闡述：“芯片上的晶體管數目已經足以執行人類想要的功能，只是我們不知道怎么做”“摩爾定律不變的曲線有助于把金錢和智力集中到一個非常具體的目標上，也就是不違背定律。工業界的每個人都明白，如果跟不上曲線，就會落后，這就是一種自驅動前進。”
第一點，按照摩爾定律，如果單芯片到了5 nm、7 nm，則它可以集成300億個晶體管。目前芯片上的晶體管數目已經足以執行人類所想要的所有功能，人類目前有沒有這樣的需求，需要運用一個單芯片上那么多晶體管做什么。
第二點的闡述更接近摩爾定律的實質。摩爾定律不變的曲線有助于把資金和智力集中到一個非常具體的目標上，這就是一種自驅動的前進，產業上面的自驅動前進。當然需要政府，但是更需要一種產業的自驅動前進。
不管怎么講，集成電路已經走過60 年了，現在一方面碰到了很多基礎性研究的瓶頸問題，解決起來很困難；另外一方面，人類對信息技術不斷的依賴又必須讓我們更加強烈地需要技術和原理的創新來支撐這種需求。
如果摩爾定律不再奏效，或者傳統硅技術無法滿足某些需求之時該怎么辦？這時候就需要在材料上下功夫。實際上學術界和產業界也一直在找尋新的半導體材料。目前硅材料還是占了整個半導體材料的絕大部分（90%以上），而第三代寬禁帶與超寬禁帶半導體越來越得到重視，其中寬禁帶半導體商用化程度越來越高，包括氮化鎵、碳化硅等，而超寬禁帶半導體包括金剛石、氧化鎵和氮化鋁等研究也有了進展。
半導體材料的劃代
主要按照推出時間早晚劃分，半導體材料目前已經劃分到了第三代。第一代是從集成電路發明開始，最先晶體管是鍺材料，后面發展成硅材料。
第二代半導體材料是20世紀八九十年代推出的砷化鎵和1990 年后才開始真正用到了產業上面的磷化銦材料。
2000 年以后，主要是第三代半導體材料，以氮化鎵和碳化硅為主。2005 年以后開始出現超寬禁帶半導體，圖1橫軸為材料引入時間，縱軸為材料的禁帶寬度，4 eV以上禁帶寬度的材料稱為超寬禁帶。包括目前比較典型氧化鎵、金剛石和氮化鋁。這些新材料的引入對半導體體系有很大發展和補充。
圖1 半導體材料的劃代
由圖1列出了各類半導體材料的特性，可以看出，不同的半導體材料其性質相差甚遠。例如，功率器件是目前半導體器件的一個方向。材料的功率特性包括電子的飽和漂移速度、擊穿特性、熱導率等，還有評價半導體材料用于開關器件潛力的巴利加優值，其值越大，器件功率越大，Si、GaAs、4H-SiC的巴利加優值分別為1、5、340，而金剛石的為24664。
表1 半導體材料的特性
圖2示出了以GaN和SiC為代表的寬禁帶半導體材料與硅材料相比所具有的明顯優勢。因為這類材料具有寬的半導體帶隙、高的電子飽和漂移速度、高的熱導率、高的擊穿強度，特別適合于制造工作于高頻率、高速度、耐高溫的半導體器件和短波長光電器件（如藍光到紫外光LED和光電探測器件）。
圖2 寬禁帶半導體電子器件特性優勢
隨著4G和5G移動通信、雷達探測、軌道交通、光伏發電、半導體照明、高壓輸變電等應用領域的不斷發展，寬禁帶和超寬禁帶半導體器件已成為國際半導體器件和材料的研究和產業化熱點，中國目前在寬禁帶半導體器件方面開始全面產業化應用（圖3），在超寬禁帶半導體器和材料方面取得了很好的基礎研究成果。國內在該方面的發展態勢也較好。
圖3 寬禁帶半導體器件及應用
以照明為例，由于氮化物半導體的興起，在半導體照明方面取得了很大的進展。2017 年國內半導體照明產業產值已經突破了6500 億人民幣，2018 年可能會更高，據預計會超過7000 億人民幣。
同時電子器件方面，尤其是在微波毫米波器件方面已經開始廣泛地用于通信、雷達、對抗、衛星等方面，這對硅集成電路來講是一個很好的補充。
在國家支持下，國內半導體發展呈良好態勢，但同時也有一些擔憂和困惑：在一些產業興起時，容易產生一哄而上的局勢，形成一個幾乎沒有什么約束，沒有什么規則的發展趨勢。
氮化物半導體目前的電子器件研發及產業化的熱點
氮化鎵電子器件是在襯底材料上外延生長勢壘層/溝道層材料，該結構可以實現高密度和高遷移率的二維電子氣，這是實現微波和大功率半導體器件的關鍵；硅和碳化硅襯底是主要材料，目前已經開始了進入了氮化鎵襯底年代。
與硅相比，氮化物半導體具有以下兩個獨特優點。
1）氮化物半導體材料可以形成異質結，也即不同的禁帶材料可以疊加在一起，形成不同的具有量子的限域性的異質結，在這個異質結里面工作的電子遷移率比三維的電子快得多。因此在做高頻器件時，氮化物半導體有優勢。
2）電子密度，也即材料中的載流子的密度，不由摻雜決定，而由極化決定。可以用這種性質調節材料各種極化的性能，用材料的禁帶寬度來調節載流子的濃度，是非常好的性質，不用去摻各種各樣的雜質，只要調節材料的極化特性，就能得到很好的電子濃度。
這兩個特性在半導體體系中確實是獨特的，而且可以得到很好的應用。
高頻器件及其應用
移動通信需要頻率越來越高，需要發射的功率越來越大。2017 年工信部正式發布5G通信頻率：端對端通信頻率為28、39GHz，未來將會更高，以滿足大規模數據傳輸的需求；端對手機的頻率達到3.3~3.6 GHz、4.8~5.0 GHz。這對未來化合物半導體的發展，尤其是移動通信的發展提供了非常好的一個市場。
目前454GHz的AlN/GaN HEMT源漏對稱器件最高fT為454 GHz，同時fmax達到了440 GHz，就是說如果該器件正常工作到THz階段，對于200 GHz的工作頻率還是有保障的。
再例如，圖4所示源漏不對稱的氮化鎵器件最高fT最高可以達582 G，fmax略低，為310 GHz，也可以很好地在高頻情況下應用。
圖4 454GHz @AlN/GaN HEMT示意
在高功率情況下，西安電子科技大學成功研發出320 GHz的毫米波器件，利用高質量的浮空柵技術，實現了器件的fmax達到了320 GHz；另外，實現了在輸出功率密度一定的情況下，功率附加效率在30 GHz頻率下為目前國際GaN基HEMT中最高值。另外，國內已經研究成功了X波段，輸出功率可以達3 kW，將繼續將其發展到5 kW。實現其高功率的眾多特殊應用。
這些高頻、高功率器件下一代通信提供了非常重要的技術保障。另外這種材料的效率高，會大大改進散熱和可靠性問題。
氮化物電力電子器件
由于氮化物具有高耐壓及低損耗等特點，已經被電力電子應用關注。
Baliga曲線（圖5）闡述了導通電阻和擊穿電壓的關系，對于一個器件而講，如果想讓器件的擊穿電壓提升，一定要輕摻雜。但輕摻雜后導通電阻增大。器件的正向導通電阻和反向擊穿電壓永遠是一對矛盾，因此要靠材料來解決是一個很重要的方面。不同的材料，包括碳化硅、氮化鎵、氧化鎵，用新的材料來解決功率器件、導通電阻和擊穿電壓之間的關系。
圖5 半導體器件Baliga曲線
2018 年，西安電子科技大學在氮化物電力電子器件氣的重要進展，研制成功一個新結構GaN肖特基微波功率二極管，禁帶寬度很寬，但開啟電壓非常低（0.35 V，與硅相近），GaN SBD目前最好的BV~Ron，更靠近GaN Baliga理論曲線（圖6）。
圖6 新結構GaN肖特基微波功率二極管Baliga理論曲線
硅基氮化鎵器件
硅基氮化鎵兼具硅的低成本效應以及氮化鎵的高頻高功率特性。在硅基上面做氮化鎵是目前重要的研究內容，未來可以通過與硅的集成電路高度融合，另外可以用目前的集成電路生產線，以更加低的成本實現的功率器件和微波器件等。
超寬禁帶半導體器件
對于性能更高的諸如金剛石、氧化鎵等器件來說，學術界也在進一步研究。
金剛石器件單晶
金剛石的問題是研究界共同關心的難題。西安電子科技大學通過消除多晶，擴徑生長，擴大了單晶外延層面積，在單個襯底上實現尺寸達12 mm x11 mm x1.5 mm的單晶金剛石的穩定生長，生長速率大于20μm/h。
金剛石由于原子密度大，摻雜和導電比較困難，主要依靠“氫終端表面電導”制備場效應管。但是，金剛石的特性非常之好，我們在氫終端金剛石場效應管的柵極下方引入具有轉移摻雜作用的介質MoO3，正向導通電阻降低到同等柵長MOSFET器件的1/3，跨導提高約3 倍。。
氧化鎵器件
過去氧化物半導體的性能一般，最近氧化鎵電子器件性能研究國內外發展較快，在技術方面，國內與國際差距不大。
圖7展示了西安電子科技大學在2018 年報道的帶場板結構的氧化鎵SBD，首次實現擊穿電壓3 kV，高開關比108~109，SBD勢壘高度1.11 eV和理想因子1.25，該器件具有目前最優的BV~Ron。
圖7 帶場板結構的氧化鎵SBD
結 論
中國的微電子技術和產業大有希望。2018 年是集成電路發明60 周年。歲月如梭，時光如箭，學術界和產業界應抓緊目前發展的良好機遇，不斷地努力。
如何高度地進一步將資金和人才智力集中到一個明確的方向上來，是值得共同探討和努力的。
作者簡介：郝躍，中國科學院院士，國家自然科學基金委員會信息科學部主任，西安電子科技大學教授，研究方向為寬禁帶半導體器件與材料、微納半導體新器件與新材料。
