第3代半導(dǎo)體材料在5G通訊領(lǐng)域的發(fā)展與機(jī)遇

陳秀芳 楊祥龍 徐現(xiàn)剛 楊學(xué)林 魏同波 劉建利

一、研究背景

寬禁帶半導(dǎo)體——碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），是繼第1代硅（Si）、鍺（Ge）和第2代砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等材料之后發(fā)展起來(lái)的第3代半導(dǎo)體材料。寬禁帶半導(dǎo)體可以在較高的溫度和較大的外界能量作用下保持原有的N型或P型導(dǎo)電性能，從而使器件可以在高溫和強(qiáng)輻照環(huán)境下工作，其臨界場(chǎng)強(qiáng)也大，因此器件的耐壓程度也較高。第3代半導(dǎo)體主要以SiC、GaN的場(chǎng)效應(yīng)管為主流，已成為突破600 ℃工作溫度、超過(guò)兆瓦級(jí)的固態(tài)功率電子學(xué)和10 W/mm高功率密度射頻電子的關(guān)鍵器件，屬于半導(dǎo)體科學(xué)、材料科學(xué)、高溫電子學(xué)、兆瓦功率電子學(xué)、高功率微波電子學(xué)等跨學(xué)科前沿研究領(lǐng)域。

未來(lái)的5G通訊系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)通信基站的帶寬要求達(dá)1GHz，傳統(tǒng)的Si-LDMOS技術(shù)已無(wú)法滿足需求；隨著綠色環(huán)保、低碳經(jīng)濟(jì)理念在全球不斷的推廣深入人心，運(yùn)營(yíng)商對(duì)于移動(dòng)通信基站的效率提出了越來(lái)越高的需求，而射頻功率放大器是基站設(shè)備中主要的能耗部件，大帶寬、高效率、小體積、輕質(zhì)量、低成本的射頻功率放大器需求日益迫切。因此SiC、GaN材料及器件的研究對(duì)于5G通訊具有重要意義，是需要進(jìn)一步發(fā)展的高核心技術(shù)。

表1是幾種常用半導(dǎo)體材料特性的對(duì)比，可以清楚地看出SiC和GaN具有寬禁帶寬度（如GaN的禁帶寬度為3.49 eV）、高臨界場(chǎng)強(qiáng)（如GaN擊穿電場(chǎng)高達(dá)3.3×106 V/cm）、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和速率等特性。GaN具有比SiC更高的遷移率，更重要的是GaN可以形成調(diào)制摻雜的鋁鎵氮（AlGaN）/GaN結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以在室溫下獲得更高的電子遷移率、極高的峰值電子速度（3×107 cm/s）和飽和電子速度（2.7×107 cm/s），并獲得比GaAs、InP異質(zhì)結(jié)器件中更高的二維電子氣濃度（2×1013 /cm2）。因此，以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體成為制造大功率/高頻電子器件、短波長(zhǎng)光電子器件、高溫器件和抗輻照器件最重要的半導(dǎo)體材料，其高頻大功率應(yīng)用的品質(zhì)因數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了Si和GaAs材料。

二、GaN基射頻器件國(guó)內(nèi)外研發(fā)現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析

GaN基射頻器件具有高工作電壓、高功率密度、高工作頻率以及高帶寬等優(yōu)異特性，是L波段到W波段范圍內(nèi)理想的射頻功率器件。GaN材料以其固有的特性優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是應(yīng)用于下一代5G無(wú)線通信的理想射頻功率器件的材料。國(guó)際上GaN寬禁帶半導(dǎo)體固態(tài)微波器件研究起步于1993年，Yifeng Wu在1996年最早報(bào)道了GaN器件射頻功率。Ramakrishna Vetury研究了制約輸出效率的物理機(jī)制，將其歸為表面缺陷引起的電流崩塌效應(yīng)。Sten Heikman研究了摻鐵導(dǎo)致的體陷阱對(duì)于GaN電流崩塌的影響。Bruce Green發(fā)現(xiàn)采用氮化硅（SiN）鈍化的技術(shù)可以有效抑制GaN表面陷阱，并實(shí)現(xiàn)了大于40%的功率附加效率（PAE）。Naiqian Zhang發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)于電流崩塌的效果明顯，并引入場(chǎng)板結(jié)構(gòu)。

在此基礎(chǔ)上，Yifeng Wu采用了SiN鈍化工藝和雙場(chǎng)板設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了32 W/mm的功率密度和55%的效率。Siddharth Rajan使用了MBE原位鈍化技術(shù)進(jìn)行SiN的生長(zhǎng)，生長(zhǎng)的SiN層有著更好的物理參數(shù)和薄膜質(zhì)量，更致密且耐高溫。Fujitsu公司通過(guò)使用n摻雜的GaN層加上SiN鈍化層的方式，實(shí)現(xiàn)了73%的效率。以上研究都是基于小尺寸芯片，為了進(jìn)一步提高大功率芯片效率，需要降低射頻放大管的熱阻。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）在2012年開(kāi)啟了近結(jié)熱傳輸項(xiàng)目，TriQuint采用金剛石作為襯底，將溝道溫度降低了25%。同時(shí)，為了滿足未來(lái)無(wú)線通訊寬帶需求，美國(guó)MACOM公司于2013年推出了工作頻率為20 M～1GHz、功率15 W、增益14 dB、效率60%的GaN HEMT。毫米波段的GaN技術(shù)也在不斷進(jìn)行技術(shù)更新。2010年，美國(guó)HRL實(shí)驗(yàn)室（HR）研制了92G～96GHz，輸出功率1.5 W，效率15%，增益10 dB的GaN功率單片微波集成電路（MMIC）。2013年，HRL在AlN/ GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上制備的20 nm柵長(zhǎng)器件fmax超過(guò)500GHz，這是目前為止GaN電子器件頻率響應(yīng)的最高值。Fujits和Raython也分別在2010年和2011年研制了75 GHz下連續(xù)波輸出功率達(dá)到1.3 W和91 GHz下1.7 W的GaN功率MMIC。

目前，國(guó)內(nèi)主要研究GaN技術(shù)的企業(yè)有蘇州能訊高能半導(dǎo)體有限公司（簡(jiǎn)稱“蘇州能訊”）、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所（簡(jiǎn)稱“中國(guó)電科13所”）和中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所（簡(jiǎn)稱“中國(guó)電科55所”）。其中，蘇州能訊于2013年建設(shè)完成了國(guó)內(nèi)第1條GaN商用電子器件生產(chǎn)線，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工作頻率為2 500 M～2 690 MHz，功率160W，效率70 %的GaN射頻器件。中國(guó)電科13所已經(jīng)研發(fā)出2.5G～2.7 GHz頻段250W高壓GaN基站功放，飽和效率達(dá)到68%。中國(guó)電科55所研制了35 G～38 GHz帶內(nèi)峰值功率達(dá)到11.7 W的GaN功率MMIC，并在2016年研制了90 GHz輸出功率達(dá)到1.1 W的GaN功率MMIC。同時(shí)，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所（簡(jiǎn)稱“中科院半導(dǎo)體所”）、北京大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)在氮化物材料生長(zhǎng)、射頻器件設(shè)計(jì)和器件工藝、可靠性機(jī)理與表征、器件模型、功放設(shè)計(jì)等方面也有較厚的研究基礎(chǔ)。

橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（LDMOS）技術(shù)自1995年應(yīng)用于移動(dòng)通信基站射頻功放以來(lái)，以其優(yōu)異的性能迅速占領(lǐng)了幾乎全部的2G和3G市場(chǎng)份額。由于巨大的出貨量支撐使其成本迅速降低，從而形成了其他技術(shù)難以競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)格局。更為遺憾的是該項(xiàng)技術(shù)主要被飛思卡爾（Freescale）公司、荷蘭恩智浦（NXP）公司和德國(guó)英飛凌（Infineon）公司等3家歐美企業(yè)壟斷，面對(duì)如此巨大的市場(chǎng)需求，我國(guó)的半導(dǎo)體企業(yè)卻難以與其爭(zhēng)鋒、有所作為。目前，GaN技術(shù)在移動(dòng)通信基站射頻功放的應(yīng)用在全球都還處于起步階段。我國(guó)如能從現(xiàn)在起重點(diǎn)投入研發(fā)該項(xiàng)技術(shù)，必將能夠避免LDMOS技術(shù)受制于人的被動(dòng)局面，有望在未來(lái)GaN技術(shù)的全球競(jìng)爭(zhēng)中實(shí)現(xiàn)彎道超車，占有一席之地。

長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）系統(tǒng)作為全球4G網(wǎng)絡(luò)主流的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，具有最廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)容量。2012年以來(lái)，全球LTE發(fā)展進(jìn)入快車道。根據(jù)全球權(quán)威市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)ABI Research 的調(diào)研預(yù)測(cè)，2015-2020年無(wú)線通信領(lǐng)域LDMOS器件的市場(chǎng)規(guī)模將從11億美元增長(zhǎng)到12億美元左右，而GaN器件的市場(chǎng)規(guī)模將從1.6億美元增長(zhǎng)到3億美元左右，顯示了未來(lái)巨大的市場(chǎng)。

目前全球用于移動(dòng)通訊基站射頻功率器件的市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)10億美元，基本被美歐企業(yè)壟斷。GaN相比于目前傳統(tǒng)的硅基LDMOS及GaAs器件等具有顯著優(yōu)勢(shì)，在下一代無(wú)線通訊基站、衛(wèi)星通訊領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)的GaN半導(dǎo)體技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程整體競(jìng)爭(zhēng)力與國(guó)際相比仍存在較大差距，但在中國(guó)政府科技規(guī)劃和專項(xiàng)投入的積極鼓勵(lì)和帶動(dòng)下，正呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。針對(duì)5G通訊行業(yè)的自主發(fā)展，打破國(guó)外壟斷。2016年度國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料”設(shè)立了“面向下一代移動(dòng)通信的GaN基射頻器件關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)應(yīng)用”專項(xiàng)。該專項(xiàng)的設(shè)立意義重大，瞄準(zhǔn)了第3代半導(dǎo)體技術(shù)在移動(dòng)通信基站發(fā)展的機(jī)遇，通過(guò)項(xiàng)目組的共同努力，有望實(shí)現(xiàn)第3代半導(dǎo)體材料、器件與電路在通信系統(tǒng)的應(yīng)用，帶動(dòng)國(guó)產(chǎn)射頻產(chǎn)業(yè)鏈的全面發(fā)展。

但由于目前體塊的GaN單晶襯底在尺寸和質(zhì)量方面尚未達(dá)標(biāo)，目前主流的AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)均在半絕緣SiC襯底上生長(zhǎng)，從而可利用SiC的高熱導(dǎo)率特性。因此生長(zhǎng)大尺寸高質(zhì)量的SiC體塊單晶，并用于GaN外延異質(zhì)結(jié)材料的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于SiC襯底的GaN高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）器件及射頻功率放大器模塊，實(shí)現(xiàn)針對(duì)4G及5G系統(tǒng)完成應(yīng)用驗(yàn)證就具有重大意義。

國(guó)外SiC晶體材料的研究始于20世紀(jì)60年代，生長(zhǎng)方法有物理氣相傳輸（PVT）法、高溫化學(xué)氣相沉積（HTCVD）法、氣液固法（VLS）法等。20世紀(jì)90年代，美國(guó)率先采用PVT法生長(zhǎng)SiC單晶取得了重要突破，現(xiàn)階段SiC單晶的廠商絕大部分采用PVT法進(jìn)行生長(zhǎng)。美國(guó)科銳（Cree）公司一直處于SiC晶體材料和器件乃至整個(gè)SiC半導(dǎo)體行業(yè)的壟斷地位，2010年8月，Cree公司發(fā)布了直徑6英寸的N型SiC晶體，2012年Cree開(kāi)始推出6英寸的SiC襯底產(chǎn)品，將其主要應(yīng)用于發(fā)光二極管。美國(guó)貳陸（II-VI）公司和道康寧（Dow Corning）公司等在投入大量資金致力于SiC晶體生長(zhǎng)研究的同時(shí)，通過(guò)關(guān)鍵裝備以及核心加工技術(shù)的引進(jìn)或者代加工的方法解決了SiC襯底加工的瓶頸問(wèn)題。截至2015年，Cree、Dow Corning和II-VI等均可提供商用6英寸N型SiC襯底材料。2016年，Cree可提供8英寸N型SiC襯底。但是，Cree公司在6英寸半絕緣單晶方面的報(bào)道較少，其他公司的6英寸半絕緣襯底產(chǎn)品也鮮有報(bào)道。

國(guó)內(nèi)開(kāi)展SiC單晶的研究開(kāi)始較晚，目前主要有山東大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中國(guó)科學(xué)院硅酸鹽研究所、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所等單位。截至目前，我國(guó)SiC單晶整體水平依然落后于歐美國(guó)家。另外，美國(guó)Cree公司對(duì)其半絕緣產(chǎn)品實(shí)行禁運(yùn)。因此，6英寸半絕緣SiC襯底需要自主研發(fā)，從而打破國(guó)外壟斷地位，真正實(shí)現(xiàn)材料、器件、模塊、裝備的一條龍國(guó)產(chǎn)化。山東大學(xué)在先進(jìn)電子材料重點(diǎn)專項(xiàng)的支持下，研究了大尺寸SiC單晶生長(zhǎng)初期成核控制，模擬計(jì)算了關(guān)鍵工藝參數(shù)，優(yōu)化生長(zhǎng)工藝降低淺能級(jí)雜質(zhì)濃度，生長(zhǎng)出6英寸半絕緣單晶（如圖1所示），為外延高質(zhì)量高阻GaN奠定了良好基礎(chǔ)。

SiC襯底上生長(zhǎng)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)是新一代微波功率器件發(fā)展的核心材料，我國(guó)SiC襯底AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料研制已取得一定進(jìn)展，中科院半導(dǎo)體所、西安電子科技大學(xué)、中國(guó)電科13所、中國(guó)電科55所、蘇州能訊、北京大學(xué)等單位聯(lián)合公關(guān)，初步攻克了高遷移率GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備的關(guān)鍵技術(shù)，2～3英寸SiC襯底AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)室溫電子遷移率已突破2 000 cm2/Vs，并可實(shí)現(xiàn)批量供片，4英寸SiC襯底AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料也已達(dá)到實(shí)用化水平。另一方面，在毫米波器件研制上優(yōu)勢(shì)更加明顯的InAlN/GaN晶格匹配異質(zhì)結(jié)構(gòu)研究上，中國(guó)電科13所、北京大學(xué)、西安電子科技大學(xué)也取得了顯著進(jìn)展，室溫2DEG遷移率超過(guò)了2 000 cm2/Vs，處于國(guó)際領(lǐng)先水平，但在材料均勻性和漏電、缺陷控制等方面離實(shí)用化與國(guó)外還有一定差距，也是制約國(guó)產(chǎn)器件最終走向?qū)嵱没约爱a(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵制約因素。這與我國(guó)當(dāng)前的現(xiàn)狀以及體制密切相關(guān)，需要眾多研究所和大學(xué)一起合作，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，提升我國(guó)在這一領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。在已啟動(dòng)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料”重點(diǎn)專項(xiàng)中，針對(duì)這一問(wèn)題已做了全產(chǎn)業(yè)鏈布局，有望實(shí)現(xiàn)突破。針對(duì)下一代移動(dòng)通信基站對(duì)射頻功放的需求，通過(guò)技術(shù)研發(fā)，突破大尺寸SiC襯底上高質(zhì)量GaN外延生長(zhǎng)關(guān)鍵技術(shù)，研制出滿足高溫、高頻、大功率射頻器件所需要的結(jié)構(gòu)材料，從而打破美日等發(fā)達(dá)國(guó)家在高功率射頻領(lǐng)域?qū)ξ覈?guó)的技術(shù)封鎖，為5G通信的國(guó)產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。

三、展望

未來(lái)5G系統(tǒng)將支持海量的機(jī)器通信，以智慧城市、智能家居等為代表的典型應(yīng)用場(chǎng)景與移動(dòng)通信深度融合，預(yù)期千億量級(jí)的設(shè)備將接入5G網(wǎng)絡(luò)。5G還將以其超高可靠性、超低時(shí)延的卓越性能，引爆如車聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)醫(yī)療、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)應(yīng)用。在商用初期，運(yùn)營(yíng)商開(kāi)展5G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模建設(shè)。預(yù)計(jì)2020年，電信運(yùn)營(yíng)商在5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的投資超過(guò)2 200億元，各行業(yè)在5G設(shè)備方面的支出超過(guò)540億元。隨著5G向垂直行業(yè)應(yīng)用的滲透融合，各行業(yè)在5G設(shè)備上的支出將穩(wěn)步增長(zhǎng)，成為帶動(dòng)相關(guān)設(shè)備制造企業(yè)收入增長(zhǎng)的主要力量。2030年，預(yù)計(jì)各行業(yè)各領(lǐng)域在5G設(shè)備上的支出超過(guò)5 200億元，在設(shè)備制造企業(yè)總收入中的占比接近69%。因此，第3代半導(dǎo)體材料在5G通訊應(yīng)用中有著非常廣闊的前景和機(jī)遇。