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新华社:中国女足怎么了 科研进展 苏州纳米所(suo)孙钱团队在(zai)功率(lv)半导体...
科研进展

苏州纳米所孙钱团队在功率半导体器件和集成电路领域国际顶级学术会议(32nd ISPSD)发表重要研究进展

发布日期:2019-09-29 浏览次数(shu): 【关闭】


       议简介:ISPSD(全称为(wei):IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, 功率(lv)半(ban)(ban)导(dao)体(ti)器(qi)件和集成(cheng)电路国(guo)际会议(yi))是功率(lv)半(ban)(ban)导(dao)体(ti)器(qi)件和集成(cheng)电路领(ling)域(yu)在国(guo)际上最(zui)重要(yao)、影响力(li)最(zui)强的顶级学(xue)术(shu)(shu)会议(yi),它被认为(wei)是功率(lv)半(ban)(ban)导(dao)体(ti)器(qi)件和集成(cheng)电路领(ling)域(yu)的奥(ao)林(lin)匹克(ke)会议(yi),一直(zhi)以来(lai)都是国(guo)内外(wai)半(ban)(ban)导(dao)体(ti)产(chan)业界(jie)龙头(tou)企业(台积电、三(san)星、松(song)下,英飞凌,东芝(zhi)等(deng))和全球(qiu)知名学(xue)术(shu)(shu)科研机构(欧洲微电子中(zhong)心、香港(gang)大(da)学(xue),香港(gang)科技大(da)学(xue),北京大(da)学(xue),电子科大(da),名古屋(wu)大(da)学(xue),多伦多大(da)学(xue)等(deng))争相发表(biao)和展(zhan)示功率(lv)半(ban)(ban)导(dao)体(ti)前沿(yan)技术(shu)(shu)重要(yao)成(cheng)果的舞台。

  氮化镓(GaN)作(zuo)为一种(zhong)宽禁(jin)带半(ban)导体(ti),是第三代(dai)半(ban)导体(ti)的(de)(de)(de)(de)典型代(dai)表。与(yu)第一代(dai)半(ban)导体(ti)硅(Si)基的(de)(de)(de)(de)器(qi)件相(xiang)比,GaN器(qi)件由于具有更高耐压,更快(kuai)的(de)(de)(de)(de)开关频(pin)率(lv)(lv),更小(xiao)导通电阻等诸多优(you)异的(de)(de)(de)(de)特(te)性,使(shi)得(de)其在(zai)功(gong)率(lv)(lv)电子器(qi)件领(ling)域可(ke)以(yi)得(de)到广泛(fan)的(de)(de)(de)(de)应(ying)用(yong),从低功(gong)率(lv)(lv)段(duan)的(de)(de)(de)(de)消费电子领(ling)域,到中功(gong)率(lv)(lv)段(duan)的(de)(de)(de)(de)汽车电子领(ling)域,以(yi)及高功(gong)率(lv)(lv)段(duan)的(de)(de)(de)(de)工(gong)业电子领(ling)域均将有着极(ji)其重要的(de)(de)(de)(de)应(ying)用(yong)。根(gen)据国际(ji)权威调(diao)研机构(gou)Yole统计,GaN器(qi)件可(ke)以(yi)适(shi)用(yong)于68%的(de)(de)(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)器(qi)件市场。同(tong)时(shi),在(zai)功(gong)率(lv)(lv)转换(huan)电路中应(ying)用(yong)GaN器(qi)件可(ke)以(yi)消除整流(liu)器(qi)在(zai)进(jin)行交直流(liu)转换(huan)时(shi)90%的(de)(de)(de)(de)能量损失,极(ji)大(da)的(de)(de)(de)(de)提高能源利用(yong)效(xiao)率(lv)(lv),还可(ke)以(yi)使(shi)笔记(ji)本等电源适(shi)配器(qi)的(de)(de)(de)(de)体(ti)积最多缩小(xiao)80%,极(ji)大(da)地减小(xiao)设(she)备体(ti)积提高集成度。


图1. GaN HEMT 电力电子器件的(de)应(ying)用

      在(zai)实际的(de)应(ying)用(yong)中(zhong)(zhong),为了实现失效安(an)全的(de)增强(qiang)模(mo)式(E-mode)操作(zuo),人们广泛研究了基于凹槽(cao)栅(zha)(zha)结构的(de)MIS栅(zha)(zha)和(he)p-GaNregrowth栅(zha)(zha)增强(qiang)型GaN HEMT器件。在(zai)实际的(de)器件制备(bei)过程中(zhong)(zhong)精确的(de)控(kong)制栅(zha)(zha)极凹槽(cao)刻蚀深度(du)以及减小凹槽(cao)界(jie)面态密度(du)将直接(jie)影(ying)响着器件的(de)阈值电压(ya)均匀性和(he)栅(zha)(zha)极可(ke)靠性,尤其是在(zai)大规(gui)模(mo)量产中(zhong)(zhong)会(hui)直接(jie)影(ying)响器件的(de)量产良率。然(ran)而,到目前为止,利用(yong)现有技(ji)术手段无法同时解决(jue)这两大问题。

图(tu)2. GaN HEMT 增强型(xing)器(qi)件技术路(lu)线(xian)及关键科学问题

  基于(yu)(yu)(yu)以上(shang)(shang)研(yan)究(jiu)背景及(ji)在(zai)科研(yan)界产业界亟待(dai)解(jie)决的(de)关(guan)键(jian)问题基础(chu)上(shang)(shang),在(zai)中(zhong)科院苏州纳(na)米所孙(sun)钱研(yan)究(jiu)团队(dui)在(zai)读博(bo)士(shi)研(yan)究(jiu)生生苏帅和钟耀宗及(ji)其(qi)他团队(dui)成员(yuan)的(de)合(he)作(zuo)攻关(guan)下,经过近(jin)三年时(shi)间的(de)不懈努力,继先后在(zai)p-GaN Regrowth器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)制备(bei)技术(shu)及(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)可靠性(xing)测(ce)试(shi)分(fen)(fen)析技术(shu)等核心技术(shu)上(shang)(shang)取得突破,相关(guan)论(lun)文(wen)先后发表于(yu)(yu)(yu)国(guo)际权(quan)威电(dian)子(zi)器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)领域期(qi)刊IEEE Electron Device Letters vol. 40, no. 9, pp. 1495-1498, Sept. 2019,ACS Applied Materials & Interfaces vol. 11, no. 24, pp. 21982-21987, May. 2019,IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2020, doi: 10.1109/JESTPE.2020.3014372.上(shang)(shang),且成功制备(bei)的(de)器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)阈值电(dian)压达(da)(da)到~1.7 V@ IDS = 10 μA/mm,开关(guan)比达(da)(da)到5×1010,输出电(dian)流400mA/mm以上(shang)(shang),器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)综合(he)性(xing)能(neng)达(da)(da)到国(guo)际一流水平。在(zai)上(shang)(shang)述(shu)研(yan)究(jiu)工(gong)作(zuo)基础(chu)上(shang)(shang),团队(dui)又(you)于(yu)(yu)(yu)近(jin)期(qi)在(zai)将外延(yan)技术(shu)与器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)加(jia)工(gong)工(gong)艺紧(jin)密结(jie)合(he)基础(chu)上(shang)(shang),利(li)用创新型(xing)的(de)技术(shu)手段(duan)在(zai)栅(zha)(zha)极(ji)凹槽(cao)深度高(gao)均匀性(xing)的(de)精确控制及(ji)减(jian)(jian)小(xiao)凹槽(cao)界面(mian)态(tai)(tai)密度方面(mian)取得重要(yao)进展(zhan),利(li)用自(zi)主创新的(de)MOCVD热分(fen)(fen)解(jie)自(zi)终止技术(shu)手段(duan)实现(xian)了精确可控的(de)栅(zha)(zha)极(ji)凹槽(cao)制备(bei),且凹槽(cao)深度均匀性(xing)大幅提高(gao),同时(shi)栅(zha)(zha)极(ji)界面(mian)态(tai)(tai)密度减(jian)(jian)小(xiao)1~2个数量(liang)级,达(da)(da)到 ~1011 eV-1·cm-2 ,为研(yan)制高(gao)性(xing)能(neng)MIS及(ji)pGaN栅(zha)(zha)极(ji)增(zeng)强型(xing)器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)的(de)研(yan)发及(ji)量(liang)产奠(dian)定了基础(chu)。该(gai)工(gong)作(zuo)已发表于(yu)(yu)(yu)第三十二(er)届功率半导体器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)和集成电(dian)路(lu)国(guo)际会议(Shuai Su, Yaozong Zhong, et al., "Self-terminated Gate Recessing with a Low Density of Interface States and High Uniformity for Enhancement-mode GaN HEMTs," 2020 32nd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), Vienna, Austria, 2020, pp. 333-336, doi: 10.1109/ISPSD46842.2020.9170199.)。

  会(hui)议期(qi)间,该工作引起了此次(ci)会(hui)议主(zhu)席、GaN功率(lv)器(qi)件(jian)研(yan)究领域权威人物英飞(fei)凌公(gong)司首席技(ji)术(shu)官Oliver Haberlen博士的浓厚兴趣和(he)高(gao)度(du)(du)称赞。此技(ji)术(shu)的开(kai)发不仅(jin)仅(jin)适(shi)用于GaN HEMT器(qi)件(jian)的制(zhi)备,同(tong)时也适(shi)用于基(ji)于GaN材料体系的其他(ta)器(qi)件(jian)的制(zhi)备,以便获得高(gao)度(du)(du)均匀的凹(ao)槽深度(du)(du)和(he)极低的界面态密度(du)(du),结合本(ben)团队已(yi)有p-GaN Regrowth器(qi)件(jian)制(zhi)备技(ji)术(shu)将能够(gou)极大(da)提高(gao)制(zhi)备器(qi)件(jian)的均匀性(xing)和(he)可靠性(xing),有望在(zai)器(qi)件(jian)大(da)规模量产中(zhong)大(da)幅提高(gao)器(qi)件(jian)的生(sheng)产良率(lv)。该技(ji)术(shu)已(yi)申(shen)请国(guo)家(jia)发明专(zhuan)利(201910388910.4),并将通过(guo)PCT国(guo)际(ji)专(zhuan)利(PCT/CN2019/130362)进(jin)入美国(guo)、加拿大(da)、日本(ben)、德国(guo)等。



图3. (a)MOCVD热(re)分解实现高(gao)均(jun)匀性低(di)界面态栅极凹槽结构(gou)的(de)(de)技(ji)术路线;(b)基于MOCVD热(re)分解制备的(de)(de)凹槽的(de)(de)表(biao)面形貌(mao),热(re)分解自终止的(de)(de)验证(zheng)及(ji)片上均(jun)匀性统(tong)计;(c)利用变频(pin)CV表(biao)征栅极界面态密度。
  上述相(xiang)关工(gong)作的主要(yao)作者为中(zhong)科院(yuan)苏州纳米(mi)所在(zai)读博士研(yan)究(jiu)(jiu)生(sheng)苏帅和钟耀(yao)宗,通(tong)讯作者为孙钱研(yan)究(jiu)(jiu)员(yuan)和周(zhou)宇副研(yan)究(jiu)(jiu)员(yuan)。上述工(gong)作得到了国(guo)家自然科学重点(dian)(dian)基金项(xiang)目、国(guo)家重点(dian)(dian)研(yan)发计(ji)(ji)划(hua)课(ke)题(ti)、中(zhong)国(guo)科学院(yuan)重点(dian)(dian)前沿科学研(yan)究(jiu)(jiu)计(ji)(ji)划(hua)、江(jiang)苏省重点(dian)(dian)研(yan)发计(ji)(ji)划(hua)项(xiang)目等(deng)资助。













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