為紀(jì)念集成電路發(fā)明60周年,由中國(guó)電子學(xué)會(huì)、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)信息科學(xué)部、中國(guó)科學(xué)院信息技術(shù)科學(xué)部、中國(guó)工程院信息與電子工程學(xué)部共同主辦的“紀(jì)念集成電路發(fā)明60周年學(xué)術(shù)會(huì)議”于10月11日在清華大學(xué)舉行。 60年的集成電路發(fā)展史,實(shí)質(zhì)上是一部不斷發(fā)明、不斷創(chuàng)新的文明史,每一項(xiàng)新的發(fā)明,都能夠開(kāi)辟一片全新的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著集成電路加工技術(shù)的進(jìn)步,如今,在1平方厘米的硅片上已經(jīng)可以集成超過(guò)50億個(gè)晶體管,成為可以把信息采集、信息存儲(chǔ)、信息處理、信息傳輸和信息執(zhí)行于一身的、眾所周知的“芯片”。如今,芯片與軟件一起,正在改變著我們的生產(chǎn)方式和生活方式,當(dāng)之無(wú)愧地成為推進(jìn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展和保障國(guó)家安全的關(guān)鍵核心技術(shù),成為大國(guó)之間角逐的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
中科院院士、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)信息科學(xué)部主任、西安電子科技大學(xué)教授郝躍院士做了題為《寬禁帶與超寬禁帶半導(dǎo)體器件新進(jìn)展》的報(bào)告。郝躍院士詳細(xì)講解了第三代半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢(shì)。郝躍院士首先援引了凱文凱利最新力作《科技想要什么》中所提到的,“目前芯片商的晶體管數(shù)目已經(jīng)足以執(zhí)行人類(lèi)想要的功能,只是我們不知道要怎么做。”,第二句則是“摩爾定律不變的曲線有助于把金錢(qián)和智力集中到一個(gè)非常具體的目標(biāo)上,也就是不違背定律。工業(yè)街的每個(gè)人都明白,如果跟不上曲線,就會(huì)落后,這就是一種自驅(qū)動(dòng)前進(jìn)。”
如果摩爾定律不再奏效,或者傳統(tǒng)硅技術(shù)無(wú)法滿足某些需求之時(shí)該怎么辦?這時(shí)候就需要在材料上下功夫。實(shí)際上學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界也一直在找尋新的半導(dǎo)體材料。第一代硅鍺工藝20世紀(jì)50年代就誕生了,之后磷化銦和砷化鎵工藝在80年代誕生,如今第三代寬禁帶與超寬禁帶半導(dǎo)體越來(lái)越得到重視,其中寬禁帶半導(dǎo)體商用化程度越來(lái)越高,包括氮化鎵、碳化硅等,而超寬禁帶半導(dǎo)體包括金剛石、氧化鎵和氮化鋁等研究也有了進(jìn)展。
郝躍院士表示,對(duì)于器件來(lái)說(shuō),既希望有低導(dǎo)通電阻同時(shí)又希望有高擊穿電壓,但這永遠(yuǎn)是矛盾體,所以需要靠材料創(chuàng)新來(lái)解決導(dǎo)通電阻和擊穿電壓關(guān)系。
郝躍院士表示,氮化物材料體系總的發(fā)展態(tài)勢(shì)非常良好,首先在光電LED領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大成功;微波電子器件領(lǐng)域開(kāi)始得到了廣泛應(yīng)用,尤其是在移動(dòng)通信領(lǐng)域和國(guó)防領(lǐng)域(雷達(dá)、電子對(duì)抗、衛(wèi)星通信等。)
郝躍院士介紹了西電320GHz毫米波器件,利用高界面質(zhì)量的凹槽半懸空柵技術(shù),器件的fmax達(dá)320GHz,在輸出功率密度一定的情況下,功率附加效率在30GHz頻率下為目前國(guó)際GaN基HEMT中最高值。
硅基氮化鎵兼具硅的低成本效應(yīng)以及氮化鎵的高頻高功率特性。

全球氮化鎵相關(guān)公司情況一覽
如圖所示,硅基氮化鎵的未來(lái)有兩條路,一條是高功率的模塊化產(chǎn)品,一條是SoC化,集成更多被動(dòng)元件、射頻驅(qū)動(dòng)等。
超寬禁帶半導(dǎo)體電子器件
郝躍院士介紹道,單晶金剛石材料生長(zhǎng)目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)在單個(gè)襯底上生成12mm*11mm*1.5mm的穩(wěn)定單晶金剛石,結(jié)晶質(zhì)量達(dá)到元素六電子級(jí)單晶產(chǎn)品水平,生長(zhǎng)速度大漁20μm/h。
但是,金剛石的特性非常之好,在氫終端金剛石場(chǎng)效應(yīng)管的柵極下方引入具有轉(zhuǎn)移摻雜作用的介質(zhì)MoO3,RON降低到同等柵長(zhǎng)MOSFET器件的1/3,跨導(dǎo)提高約3倍。
對(duì)于氧化鎵來(lái)說(shuō),郝躍院士等人在IEEE Electron Device Letters,2018上發(fā)表的帶場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的氧化鎵SBD,首次實(shí)現(xiàn)BV>3kV,高開(kāi)關(guān)比10e8-10e9,SBD勢(shì)壘高度1.11eV和理想因子1.25。

最后,郝躍院士用基爾比發(fā)明集成電路和獲得諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)候的照片進(jìn)行對(duì)比,并希望學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界都抓緊現(xiàn)在的機(jī)遇,努力前行。“目前寬禁帶半導(dǎo)體上,國(guó)外公司比如CREE等,已經(jīng)開(kāi)發(fā)出15000V的IGBT,而在SiC和IGBT方面,國(guó)內(nèi)已有了一定的發(fā)展,但相對(duì)還是緩慢。”郝躍院士說(shuō)道。