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宽禁带半导体材料制备、新效应和应用研讨会
作者:   时间:2015年06月21日 【字号: 】【打印本页】【关闭】
一、会议基本情况

碳化硅(silicon carbideSiC)和氮化铝(aluminum nitrideAlN)等是重要的宽禁带半导体,是制作高温、高频、大功率电子器件等的理想材料,在电子、信息和环境等领域具有重要的应用。2014 7 月,中国科学院物理研究所举办宽禁带半导体材料制备、新效应和应用研讨会,邀请国内外知名学者报告宽禁带半导体及相关领域的发展动态和最新进展。


二、该领域研究进展

SiCGaNAlN等为代表的宽禁带半导体,相较于传统的半导体材料Si等,具有高的击穿电压、高饱和电子漂移速率、高热导率、抗辐照等特点,在光电、信息和能源等诸多领域有着广泛的应用价值。宽禁带半导体材料和器件研究一直是国际上的前沿和热点。

目前,国际上宽禁带半导体材料和器件已经形成了完整的产业链。在材料方面,物理气相传输(PVT)法制备的SiC单晶衬底的尺寸已发展到了6英寸,4英寸SiC单晶衬底成为主流产品,微管密度降低到1/cm2以下,SiC外延技术发展的也较为成熟,可以生长出耐10kV以上电压的数百微米厚的外延材料。采用氢化物气相外延(HVPE)法已经制备出了4英寸的GaN单晶衬底,位错密度在104 cm-2量级,相关技术还在发展完善中,目前市面上还没有形成大批量的规模供应。与GaN单晶衬底不同,GaN外延技术发展很快,从早期采用蓝宝石衬底到采用SiC衬底。近年来,在Si衬底上外延GaN由于成本优势逐渐受到重视,但其规模化生产前景还不明朗。PVT法制备的AlN单晶的尺寸达到了1英寸,HVPE法可生长出2英寸AlN,但其厚度仅为60 微米,距离获得自支撑单晶衬底还有一定距离。在器件方面,美国Cree公司采用SiC衬底外延GaN研发的LED的发光亮度达到了303 lm/W,约为常规蓝宝石基LED亮度的2倍。2012年,日本京都大学报道了20 kVSiCPiNBJT器件,耐压最高接近23kV;商业化的SiC功率器件则包括了600V1200V1700VSBD1200VMOSFETJFET等。20141月,美国总统奥巴马宣布将由北卡罗来纳州立大学牵头,18 家企业、7所大学和1所实验室共同建设国家制造业创新研究所,重点关注的领域正是下一代电力电子技术,目标是在未来5年内研发和制造出以宽禁带半导体材料为基础的高性能电力电子器件。除SiC基功率器件外,GaN基功率器件也开始在市场上崭露头角,其性能与SiC基器件类似,因为可以采用Si衬底,GaN基器件拥有更大的降低成本的潜力。GaN基功率器件在 600V/3KW 以下的应用中具有比较优势,这些应用包括微型逆变器、伺服器、马达驱动和 UPS等。GaN还是微波器件,如MESFETHEMT等最为理想的材料基础,其功率密度可达到GaAs基器件的10倍。美军的机载和舰载雷达都已开始换装基于GaN微波器件的相控阵雷达,预计军事应用将在未来几年推动GaN微波器件的快速发展。

此外,宽禁带半导体材料的新效应研究在近年取得了一些开拓性进展,包括非线性光学效应、光催化以及自旋等。在宽禁带半导体的非线性光学效应方面,中科院物理研究所首次采用4H-SiC晶体实现了可调谐的中红外激光输出,通过光参量放大实现了较大功率中红外脉冲激光的输出,并有望进一步提高转换效率和输出中红外激光的功率。武汉理工大学系统研究了多种宽禁带半导体材料与石墨烯复合体系的光催化产氢和CO2还原性能。III族氮化物半导体具有很宽的带隙(0.63eV - 6.2eV)分布,同时它们的导带具有很大的不连续性,而且由于不具备体反演对称性,晶体内部存在很强的极化场。III族氮化物半导体自旋器件在半导体自旋光电子领域具有很好的应用前景,在后摩尔时代占据着越来越重要的位置。北京大学针对GaN基异质结构中的自旋光电流效应及自旋输运性质开展了深入研究。

国内虽然在宽禁带半导体材料和器件领域起步较晚,但经过多年的发展也已经初步形成了从材料制备、新效应研究到应用开发的一条完整技术链条。目前国内从事宽禁带半导体材料制备的企业和研究单位主要有北京天科合达蓝光半导体有限公司、中科院物理研究所、中科院苏州纳米所、山东大学、北京华进创威电子有限公司、中科院半导体所、中科院上海硅酸盐所和西安电子科技大学等;从事宽禁带半导体器件开发的企业和研究单位主要有西安电子科技大学、北京大学、武汉理工大学、中科院微电子所、中电集团十三所、五十五所和清华大学等。

宽禁带半导体材料和器件的技术水平直接关系到中国众多产业未来的发展前景。我国政府已经认识到了这一领域的重要性,宽禁带半导体的时代即将来临。


三、达成的共识与建议

与国内其它地区相比,北京市在宽禁带半导体材料和器件的科研和产业化方面均居于国内领先地位。但在世界范围内比较,则落后于美国、日本和欧洲。特别是在核心技术方面,由于宽禁带半导体材料和器件事关国家安全,我们面临着发达国家的技术封锁和部分产品禁运。

宽禁带半导体材料和器件各个研究领域目前存在的问题、需要深入研究的关键问题以及未来可能的研究方向包括:

1. SiC单晶衬底及同质外延

PVT法制备的SiC单晶衬底和化学气相沉积(CVD)法制备的SiC外延材料普遍存在缺陷密度高、生长速度慢和成本高的问题。SiC单晶衬底中的微管缺陷虽已经降低到1 /cm2以下,但位错密度仍高达104 cm-2,并且会不同程度的遗传到外延层中。

下一步需要就扩大衬底直径、降低缺陷密度、外延的原位掺杂控制和提高成品率等关键问题展开深入研究。

北京天科合达蓝光半导体有限公司已经成功实现了SiC单晶衬底的国产化,建议重点支持国产衬底的批量化外延研究,着力提高国产衬底外延的一致性,为SiC器件的国产化奠定基础。

2. SiC电力电子器件

目前国内的SiC电力电子器件尚处于研发阶段,在器件结构设计、封装和稳定性方面都存在明显差距,建议选择相对简单的结型肖特基势垒(JBS)二极管作为突破口,以此带动国产SiC电力电子器件技术的进步。

3. GaNAlN单晶衬底

HVPE法只能获得4英寸GaN单晶衬底,而且成本高昂。采用PVT法可以制备出1英寸AlN单晶衬底,但其技术难度非常大;通过HVPE法目前只能获得AlN的厚膜,还不能得到自支撑衬底。需要解决的关键问题是降低缺陷密度和增大晶体尺寸。从成本和产能方面考虑,HVPE法将是制备GaN单晶衬底的主流技术,但应考虑将HVPE法和Na助熔剂法或氨热法结合起来。AlN单晶衬底的希望应该在于PVT法,建议对此给予重点支持。

4. GaN微波功率器件

GaN微波功率器件在军事和民用方面都具有重大的应用价值,SiGaN微波功率器件是值得重点关注的研究方向,但其面临3个挑战:(1)大尺寸SiGaNMOCVD外延,(2)高击穿电压和良好动态特性,(3SiGaNCMOS工艺集成。下一步需要在缓冲层、器件工艺(如纳米栅技术、抑制短沟技术、降低沟道电阻技术和提高击穿技术等)和新型异质结方面开展深入研究。

目前,北京市已实现了宽禁带半导体材料和器件部分技术成果的转化应用。例如,中科院物理研究所将SiC单晶衬底制备技术以无形资产的形式入股到了北京天科合达蓝光半导体有限公司,成功实现了SiC单晶衬底的国产化,SiC晶片产品销售到了美国、日本和德国等二十多个国家和地区。北京泰科天润半导体科技有限公司则是中国SiC功率器件产业化的先驱之一,致力于宽禁带半导体SiC功率器件的制造。

但是,与国外相比,国内在宽禁带半导体材料和器件产业化方面还有比较大的差距。国外的Cree公司、Dow corning公司、英飞凌公司、罗姆公司、Nippon Steel公司和RFMD等,大都早在上世纪90年代就开始涉足宽禁带半导体材料和器件的研究和产业化,通过政府的项目支持及资本市场的运作逐步发展壮大,目前在国际市场上居于优势地位,占据了大部分的市场份额。

基于发达国家的成功经验,建议对于宽禁带半导体材料和器件相关技术的转化应用加强政策引导,在专利申请、许可、保护、入股和收益分成等方面加大政策创新,吸引相关成果在首都地区集聚转化,鼓励企业特别是有实力的大型企业承接相关成果转化,并为项目的实施和发展提供资金、土地等方面的有力支持。鼓励条件成熟的项目通过资本运作获得更多的资金支持,鼓励条件成熟的企业在股票交易市场上市。


四、主要会议报告

1.铁电材料中的点缺陷的性质和动力学展望(Insights into the Nature and Dynamics of Point Defects in Ferroelectric Materials)

Professor Clive A. Randall,Pennsylvania State University

2.碳化硅晶体新效应研究(Study on the effect of new silicon carbide crystal)

陈小龙研究员,中科院物理所

3.SiC单晶衬底产业化技术进展(Advances in industrial technology of SiC single crystal substrate)

彭同华技术总监,北京天科合达蓝光半导体有限公司

4.GaN基微波功率器件与材料相关性研究(The correlation between GaN based microwave power devices and materials)

刘新宇研究员,中科院微电子所

5.钙钛矿薄膜太阳能电池研究(Study on perovskite thin film solar cell)

孟庆波研究员,中科院物理所

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  通知公告 更多>>
  • · 关于2017年度北京市自然科学基金-三元联合资助项目申报的通知(2017-09-28)
  • · 关于公布2018年度北京市自然科学基金申请项目初步审查结果的通告(2017-09-27)
  • · 关于公布入选《2016年度北京市自然科学基金优秀成果选编》项目名单的通知(2017-09-22)
  • · 关于公布2017年度北京市自然科学基金-交控科技轨道交通联合基金项目初步审查结果的通告(2017-09-20)
  • · 关于2017年度北京市自然科学基金重点研究专题项目申报的通知(2017-09-01)
  • · 北京市财政局 北京市科学技术委员会 关于印发《北京市自然科学基金资助项目经费管理办法》的通知(2017-08-31)
  • · 关于2017年度北京市自然科学基金对外合作交流活动基金项目申请的通知(2017-08-30)
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