第三代半導體包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）、金剛石、氧化鎵等，具有禁帶寬、擊穿電場強度高、飽和電子遷移速率高、熱導率大、介電常數小、抗輻射能力強等優點。以第三代半導體材料為基礎制備的電子器件在半導體照明、新一代移動通信、新一代快充電源、雷達、新能源汽車、軌道交通和航空航天等領域都有重要應用，對國家的產業升級、節能減排和國防安全具有重要戰略意義，是新基建、消費電子和軍事國防的核心元器件，也是當前全球信息制造產業競爭焦點。以GaN基LED為基礎的半導體照明形成了千億美元規模的產業，年節電近兩千億度；以SiC基MOSFET和AlGaN/GaN HEMT結構為代表的功率器件正在顯著影響和改變人們的生活方式，SiC是目前能實現萬伏千安的唯一材料，可實現電力電子裝置的緊湊化和小型化（體積減小40%，能量損耗減少50%），是電動汽車逆變器的不可缺少核心器件；GaN是同時實現高頻、大寬帶和大功率的唯一材料，基于AlGaN/GaN HEMT結構的微波功率器件是5G基站和相控陣雷達發射單元的核心；GaN是唯一覆蓋從紅外到紫外的半導體材料，基于GaN材料的光電器件在可見光通信、新型顯示、殺菌消毒、海量存儲、導彈制導等方面有重要應用。

那么問題來了：為什么在臺積電、英特爾帶領硅基IC先進制造向3nm, 2nm的極限尺度進軍時，第三代半導體的器件特征尺寸卻徘徊在數百納米， 甚至微米？比如被認為是未來顯示重要技術的Micro-LED，目前像素尺寸能做到2微米，像素密度到10000，已經是非常先進水平。

 

第三代半導體材料具有和傳統半導體硅不同的材料性質，具有“五高”特征：高電壓，高工作溫度，高頻，高功率密度和高效率，導致其器件制造工藝和技術上差別很大。從某種程度上看，第三代半導體器件制造具有“極端制造”特點。

 GaN在常壓下無法熔化，高溫下分解為Ga和N2，在其熔點（2300℃）時的分解壓高達6GPa。當前生長裝備很難在維持GaN熔點溫度下，同時承受如此高的壓力。因此傳統熔體法無法用于GaN單晶的生長。GaN器件以異質外延、水平結構路線為主。MOCVD外延是構造GaN器件的核心，而襯底選擇是關鍵，決定器件技術路線。目前襯底主要有異質藍寶石、SiC和Si。有限的襯底選擇和外延嚴苛條件使器件設計和制造受到一定限制。從根本上突破襯底的限制將更充分釋放GaN等第三代半導體器件潛能。美國Los Alamos National Laboratory孵化的iBeam Materials公司，利用離子束輔助沉積技術，可在包括超薄金屬片等多晶甚至非晶襯底上通過常規磁控濺射等物理沉積方法，獲得晶向織構可控的成核層，然后繼續外延生長獲得質量良好的GaN材料，用于制作LED和晶體管器件，進一步用于Micro-LED顯示，柔性電子器件等（Phys. Status Solidi A2020, 1900800，ICNS-13 2019 July 8, 2019 l Bellevue, Washington, USA）。然而晶向織構可控成核沉積技術還面臨多相多晶態競爭可控調制，粗糙或大尺寸襯底原子遷移動力學控制，襯底晶格-原子吸附遷移熱力學-動力學綜合調控，以及輔助沉積裝備定制設計 等制造科學、工藝和設備問題。

 

半導體摻雜一般可通過材料生長原位并入，器件制造中熱擴散和離子注入等方法實現。傳統硅摻雜一般通過熱擴散實現，利用高溫驅動雜質進入硅的晶體結構。第三代特征使摻雜雜質激活率低，同時其強化學鍵特征使雜質原子擴散距離短，注入深度淺。因此第三代半導體一般通過外延生長過程原位摻雜，和器件階段離子注入工藝，分別實現對摻雜原子的縱向和橫向分布控制，通過熱擴散實現濃度和分布可控摻雜非常困難。離子注入摻雜則面臨晶格嚴重損傷，高溫晶圓翹曲帶來的摻雜均勻性和同后續工藝制成兼容性，以及離子注入深度有限導致很多器件需要多次重復材料生長-離子注入步驟等問題。原位生長并入摻雜不能實現摻雜橫向梯度可控。比如， MOCVD外延較難實現橫向梯度可控摻雜。第三代半導體禁帶寬度較大，雜質激活能隨禁帶寬度增大而增大。原位p型摻雜目前能達到的最高空穴濃度僅為10e18級別，比對應電子濃度小兩到三個數量級。

 

襯底剝離主要是GaN基器件。一般在異質襯底上外延獲得GaN基材料。藍寶石是目前市場上最重要的襯底， 在LED芯片用襯底市場占據絕對主導地位，具有晶格匹配性較好，工藝成熟、產品質量優，透光性極高，價格適中，出光效率高等優點。同時存在熱導率較低，電導性差，折射率高導致出光率相對較低等缺點。導熱性差雖然在器件小電流工作中沒有暴露明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。將藍寶石襯底剝離去除，并將器件轉移至導電導熱良好的襯底上，是制備GaN基大功率LED\高PPI Micro-LED\功率器件的重要選擇。襯底剝離是最關鍵工藝。藍寶石化學性質非常穩定，一般的酸堿溶液等難以蝕刻去除。香港應科院等提出機械磨拋法，但是要求很高。目前一般是采用KrF深紫外激光照射GaN/藍寶石界面，使GaN分解，從而剝離襯底。但是分解過程中急速產生的N2需要釋放，需要工藝上設計釋放通道等。目前Micro-LED顯示被廣泛看好，同傳統LED和Mini-LED不同，Micro-LED的襯底需要去除。這對藍寶石襯底路線帶來較大挑戰。

 

GaN材料和藍寶石襯底的化學惰性使濕法蝕刻和襯底剝離較困難。這提高了器件制程的窗口和可靠性，但同時也將極大限制器件結構和功能實現，也對某些器件特殊制程和工藝帶來很大挑戰。如GaN晶體在除了氮極性面的包括Ga極性、半極性和非極性面均難被常規酸堿蝕刻，這增加了傳統側向型GaN基LED的表面粗化工藝，以及晶圓減薄難度。傳統硅CMP可以在化學和機械磨拋共同作用下達到原子級別精度，但對于第三代半導體，在純粹機械磨拋作用下很難實現厚度和表面平整度的高精控制。第三代半導體高硬度等特性對晶圓拋光，研磨，切割工藝有特殊要求。基于異質外延的應力型器件對低損傷芯片加工工藝也提出更高要求，如 AlGaN/GaN HEMT結構中AlGaN層刻蝕（~20nm），Micro-LEDs Mesa刻蝕等。SiC基GaN射頻器件背孔引線需要SiC襯底刻穿，GaN基垂直器件結構轉移襯底蝕刻等則需要雙面光刻工藝。

 

互連工藝包括芯片級互連和封裝級互連。前者包括GaN器件原襯底剝離后同新襯底互連，器件同驅動電路基板互連等，后者包括功率芯片與DBC襯板互連，芯片與電路引線鍵和互連等。以GaN基Micro-LED為例，尺寸向亞10μm推進，芯片的I/O數目和密度都增加，需要更高精度、更高工藝兼容性、更高可靠性的芯片-驅動襯底互連技術。傳統鍵合工藝需要高溫高壓條件，對準精度低，難以滿足高可靠高密度器件陣列互連需求。對于SiC基功率模塊，傳統硅基功率模塊引線鍵合用鋁線，可靠性低，在高溫高功率服役條件下面臨電熱力各方面問題和挑戰。采用多芯片并聯的SiC MOSFET功率模塊，Vth較低，短路耐量較小，需要低的寄生電容和電感，因為高的開關速度將產生高dv/dt 與 di/dt，更高的關斷過電壓、更大的開關振蕩，增加器件的開關損耗和 EMI 噪聲。

 

離子注入和注入后的退火都需要高溫工藝，而SiC基MOSFET器件則還需要高溫氧化工藝。這也是第三代半導體器件制造工藝和硅基工藝的一個顯著區別。

 

而高結溫高功率密度SiC MOSFET等功率器件和GaN基HEMT高頻器件對芯片和模塊級的互連散熱等工藝提出了很高的要求。高功率密度器件（如SiC MOSFET（體積不到IGBT的1/5）, 用于5G宏基站的100W-300W級的極大功率GaN射頻器件），或高密度熱源器件（如GaN基Micro-LED）等器件的高效散熱需求。三維堆疊封裝氮化鎵芯片功率密度大、體積小、界面多、散熱面積小，傳統的二維芯片的散熱方式往往很難用于3D封裝器件，使得熱管理成為3D 堆疊封裝所面臨的最嚴峻的挑戰：GaN器件本身的自熱問題，高電壓、大電流的工作條件下，其本身在溝道處會產生一定的熱量，該熱量會導致器件溝道內溫度迅速上升；垂直方向上的芯片堆疊增加了功率密度，層間低熱導率介質層的存在導致了散熱問題惡化，進一步增加堆疊芯片從頂部到熱沉之間的熱阻；垂直方向上的熱串擾，特別在高功率芯片與低功率溫度敏感元件之間的熱流動。

 

異質集成或者三維集成第三代半導體涉及到多材料（第三代半導體、金屬、有機物等），多域（芯片、模塊、系統），多物理場（電場、電磁波、熱、力）和多尺度（納米到微米到毫米），加之第三代半導體器件本身的高壓、高功率、高溫、高頻、高密度I/O等屬性，需要進行工藝協同兼容。如綜合防短路和防擊穿技術，包括綜合版圖設計技術，應力管理和晶圓級翹曲控制技術，極小極大間隙下填技術，防止高密度互連下短路和高電壓擊穿。IC硅器件間垂直互連一般通過TSV，第三代半導體同硅在材料力學參數區別，通孔蝕刻，或者激光打孔工藝面臨較大不確定性。

一項技術從發明走向應用，從1到N，在很多時候，比從0到1要更為重要，更為艱辛和漫長。硅基集成電路之所以能從從1到N, 以摩爾定律速度推進，并行高效的平面工藝發揮關鍵作用。發明基于平面工藝集成電路的諾伊斯，和發明晶體管的肖克利同樣偉大。
 

二維metasurface及平面光學元件，比三維metamaterials更吸引產研人員的興趣，也在于相比于后者，得益于平面工藝的成熟，前者從1到N的可能性要大得多。三維metamaterials的制造是個大問題。德國Karlsruhe Institute of Technology (KIT)研發的Nanoscrible等基于雙光子吸收的三維加工制造設備，問題還是很多。

 

先進封裝被視為延續摩爾定律的重要技術選擇，2.5D/3D的先進封裝能否更多地滲入，高效低成本的制造工藝也是關鍵。平面工藝并不等同平面結構，3D結構也當然可以基于平面工藝。

 

第三代半導體器件中，LED已經實現了從1到N，而Micro-LED顯示則是面臨巨量轉移等從1到N關鍵技術的挑戰。以4K電視為例，4K通常指4096*2160分辨率，假設每像素點為三個R/G/B晶粒，制作一臺4K電視便需轉移高達2600萬顆晶粒—即使每次轉移1萬顆，也需重復2400次。巨量轉移不是硅基IC的成熟工藝：比如M1 芯片擁有 160 億個晶體管， M1 Ultra上的晶體數量多達1140億，巨量轉移是不可能的。 

 

第三代半導體的科學研究，也許可以更多從0到1探索發現；第三代半導體制造，也許需要更多考慮從1到N的創新突破，更多借鑒利用硅的成熟制造工藝。

 

IC制造和第三代半導體制造，除了技術上，還有很多其他方面的差別。IC產業相對非常成熟，產值很大，產業分工從最初的IDM到現在的Fabless+ Foundry模式占據上風，IC制造在IC產業中起著舉足輕重的作用。因其產值大，產業鏈成熟，IC制造的即使較小的工藝進步或創新，都可能形成很大的放大作用，對企業本身和產業格局趨勢產生重要影響。比如130nm Cu互連工藝，沉浸式光刻機。第三代半導體技術目前相對沒那么成熟，整體和各個細分產品的產值也還較小，還處在群雄逐鹿時代，企業傾向IDM模式，以便更好控制成本、質量和供應鏈等。高校、研究所企業等第三代半導體方面研究，更多是針對產品，如Micro-LED、UVC LED、射頻微波器件、功率半導體器件等，而專門針對第三代半導體中的共性工藝或制程研究相對較少。相對來說，越往材料和底層的工藝會得到更多些關注和研究，因為其可能的使能范圍，放大系數會相對大。如諾獎得主S. Nakamura等解決p型GaN摻雜難題，除了部分n型單極型器件，可以用于所有的雙極型和復合光電子和電子GaN器件。中科院長光所、西安電子科技大學、美國耶魯大學等在更寬禁帶AlGaN摻雜、GaN可控濕法蝕刻、第三代半導體激光切割等研究屢有進展。第三代半導體設備廠商當然會結合工藝研發，但和IC制造工藝研發還是有所區別。

 

最近，美國對華實施出口新禁令，其中包括寬禁帶半導體氧化鎵和金剛石。第三代半導體這塊硬骨頭，還要硬啃下去。

作者簡介：
汪煉成，中南大學特聘教授，高性能復雜制造國家重點實驗室研究員，從事第三代半導體器件研究。