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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(lan)次数: 【关闭】


       会(hui)议简介:ISPSD(全称为(wei):IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, 功(gong)(gong)率(lv)半(ban)导(dao)体器件和集(ji)成(cheng)电(dian)路国(guo)际会(hui)议)是功(gong)(gong)率(lv)半(ban)导(dao)体器件和集(ji)成(cheng)电(dian)路领域(yu)在国(guo)际上最(zui)重要(yao)、影响力(li)最(zui)强的顶级学(xue)术会(hui)议,它被认为(wei)是功(gong)(gong)率(lv)半(ban)导(dao)体器件和集(ji)成(cheng)电(dian)路领域(yu)的奥林匹克会(hui)议,一直以来都是国(guo)内(nei)外(wai)半(ban)导(dao)体产业界龙头(tou)企(qi)业(台积电(dian)、三星、松下,英飞凌,东芝等(deng))和全球知(zhi)名学(xue)术科研机(ji)构(欧洲微电(dian)子(zi)(zi)中心、香(xiang)港(gang)大(da)(da)学(xue),香(xiang)港(gang)科技大(da)(da)学(xue),北京大(da)(da)学(xue),电(dian)子(zi)(zi)科大(da)(da),名古屋(wu)大(da)(da)学(xue),多(duo)伦多(duo)大(da)(da)学(xue)等(deng))争相发表和展示功(gong)(gong)率(lv)半(ban)导(dao)体前沿技术重要(yao)成(cheng)果的舞台。

  氮(dan)化镓(GaN)作为一(yi)种宽禁带半导(dao)体,是第(di)三代半导(dao)体的(de)(de)(de)典(dian)型(xing)代表。与第(di)一(yi)代半导(dao)体硅(Si)基的(de)(de)(de)器(qi)(qi)(qi)件相比(bi),GaN器(qi)(qi)(qi)件由于具有更高(gao)(gao)耐压,更快的(de)(de)(de)开关频率(lv)(lv),更小(xiao)导(dao)通电(dian)阻等诸多(duo)(duo)优(you)异的(de)(de)(de)特性,使得(de)其在功率(lv)(lv)电(dian)子器(qi)(qi)(qi)件领域可以(yi)得(de)到广泛的(de)(de)(de)应用(yong)(yong),从低功率(lv)(lv)段(duan)的(de)(de)(de)消费电(dian)子领域,到中功率(lv)(lv)段(duan)的(de)(de)(de)汽车电(dian)子领域,以(yi)及(ji)高(gao)(gao)功率(lv)(lv)段(duan)的(de)(de)(de)工业电(dian)子领域均将有着极(ji)(ji)其重要的(de)(de)(de)应用(yong)(yong)。根据(ju)国际权威调研机构(gou)Yole统计,GaN器(qi)(qi)(qi)件可以(yi)适用(yong)(yong)于68%的(de)(de)(de)功率(lv)(lv)器(qi)(qi)(qi)件市场。同时,在功率(lv)(lv)转换电(dian)路中应用(yong)(yong)GaN器(qi)(qi)(qi)件可以(yi)消除整流(liu)器(qi)(qi)(qi)在进行(xing)交(jiao)直流(liu)转换时90%的(de)(de)(de)能(neng)量损失,极(ji)(ji)大(da)的(de)(de)(de)提(ti)高(gao)(gao)能(neng)源利用(yong)(yong)效(xiao)率(lv)(lv),还可以(yi)使笔记本等电(dian)源适配器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)体积最多(duo)(duo)缩小(xiao)80%,极(ji)(ji)大(da)地(di)减小(xiao)设备(bei)体积提(ti)高(gao)(gao)集成度。


图1. GaN HEMT 电力(li)电子(zi)器件的(de)应(ying)用

      在实(shi)际(ji)的(de)(de)应(ying)用中,为(wei)了(le)实(shi)现失效安(an)全的(de)(de)增(zeng)强模式(E-mode)操作,人(ren)们(men)广泛研究了(le)基于凹槽栅(zha)(zha)(zha)结构的(de)(de)MIS栅(zha)(zha)(zha)和p-GaNregrowth栅(zha)(zha)(zha)增(zeng)强型GaN HEMT器(qi)件。在实(shi)际(ji)的(de)(de)器(qi)件制(zhi)备过程中精(jing)确的(de)(de)控制(zhi)栅(zha)(zha)(zha)极凹槽刻蚀深(shen)度以(yi)及减(jian)小(xiao)凹槽界(jie)面态密(mi)度将直(zhi)接影响着(zhe)器(qi)件的(de)(de)阈值电(dian)压均匀性(xing)和栅(zha)(zha)(zha)极可(ke)靠性(xing),尤其(qi)是在大规(gui)模量产中会直(zhi)接影响器(qi)件的(de)(de)量产良率(lv)。然而,到目(mu)前为(wei)止,利用现有(you)技(ji)术手段无法同时解决这两大问(wen)题。

2. GaN HEMT 增强型器件技术路线及关键(jian)科学问题

  基(ji)(ji)于(yu)(yu)以上(shang)(shang)(shang)研(yan)(yan)究背(bei)景及(ji)(ji)(ji)在科研(yan)(yan)界(jie)产(chan)(chan)业界(jie)亟待解决的(de)(de)(de)关(guan)键问题基(ji)(ji)础上(shang)(shang)(shang),在中科院苏(su)州纳米所孙钱研(yan)(yan)究团(tuan)队(dui)在读博士研(yan)(yan)究生生苏(su)帅和钟耀宗及(ji)(ji)(ji)其他(ta)团(tuan)队(dui)成(cheng)员的(de)(de)(de)合(he)作攻关(guan)下,经过近(jin)三(san)年时间的(de)(de)(de)不懈努力,继先(xian)后(hou)(hou)在p-GaN Regrowth器(qi)(qi)件(jian)制(zhi)(zhi)(zhi)备(bei)(bei)技(ji)术及(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)件(jian)可靠性(xing)(xing)测试分析(xi)技(ji)术等核(he)心技(ji)术上(shang)(shang)(shang)取得突破(po),相关(guan)论文先(xian)后(hou)(hou)发(fa)表(biao)于(yu)(yu)国(guo)际权威电(dian)子器(qi)(qi)件(jian)领域(yu)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)(shang),且(qie)成(cheng)功制(zhi)(zhi)(zhi)备(bei)(bei)的(de)(de)(de)器(qi)(qi)件(jian)阈值电(dian)压达到(dao)(dao)~1.7 V@ IDS = 10 μA/mm,开(kai)关(guan)比达到(dao)(dao)5×1010,输出(chu)电(dian)流(liu)400mA/mm以上(shang)(shang)(shang),器(qi)(qi)件(jian)综合(he)性(xing)(xing)能达到(dao)(dao)国(guo)际一流(liu)水平。在上(shang)(shang)(shang)述研(yan)(yan)究工作基(ji)(ji)础上(shang)(shang)(shang),团(tuan)队(dui)又于(yu)(yu)近(jin)期(qi)在将(jiang)外(wai)延技(ji)术与(yu)器(qi)(qi)件(jian)加工工艺紧密(mi)结合(he)基(ji)(ji)础上(shang)(shang)(shang),利用创(chuang)新型(xing)的(de)(de)(de)技(ji)术手段在栅(zha)(zha)极(ji)凹(ao)(ao)槽深(shen)度(du)高(gao)均匀性(xing)(xing)的(de)(de)(de)精(jing)(jing)确(que)(que)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)及(ji)(ji)(ji)减小(xiao)(xiao)凹(ao)(ao)槽界(jie)面态密(mi)度(du)方面取得重要进展,利用自主创(chuang)新的(de)(de)(de)MOCVD热(re)分解自终止技(ji)术手段实现了(le)精(jing)(jing)确(que)(que)可控(kong)的(de)(de)(de)栅(zha)(zha)极(ji)凹(ao)(ao)槽制(zhi)(zhi)(zhi)备(bei)(bei),且(qie)凹(ao)(ao)槽深(shen)度(du)均匀性(xing)(xing)大幅提高(gao),同时栅(zha)(zha)极(ji)界(jie)面态密(mi)度(du)减小(xiao)(xiao)1~2个数量级,达到(dao)(dao) ~1011 eV-1·cm-2 ,为研(yan)(yan)制(zhi)(zhi)(zhi)高(gao)性(xing)(xing)能MIS及(ji)(ji)(ji)pGaN栅(zha)(zha)极(ji)增强型(xing)器(qi)(qi)件(jian)的(de)(de)(de)研(yan)(yan)发(fa)及(ji)(ji)(ji)量产(chan)(chan)奠定了(le)基(ji)(ji)础。该工作已发(fa)表(biao)于(yu)(yu)第三(san)十二届(jie)功率半导体器(qi)(qi)件(jian)和集(ji)成(cheng)电(dian)路国(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.)。

  会议期间,该(gai)工作引起了此次会议主(zhu)席、GaN功率器(qi)件(jian)研究(jiu)领域权威人物英飞凌公司首席技术(shu)(shu)官(guan)Oliver Haberlen博(bo)士的(de)浓厚(hou)兴(xing)趣和(he)高度称赞。此技术(shu)(shu)的(de)开发不仅仅适用于GaN HEMT器(qi)件(jian)的(de)制(zhi)(zhi)备(bei),同时(shi)也适用于基于GaN材料体系(xi)的(de)其他(ta)器(qi)件(jian)的(de)制(zhi)(zhi)备(bei),以便获得高度均匀的(de)凹槽深度和(he)极低的(de)界面态密度,结(jie)合本(ben)(ben)团队(dui)已有(you)p-GaN Regrowth器(qi)件(jian)制(zhi)(zhi)备(bei)技术(shu)(shu)将(jiang)(jiang)能够极大(da)(da)(da)(da)提高制(zhi)(zhi)备(bei)器(qi)件(jian)的(de)均匀性和(he)可靠(kao)性,有(you)望在器(qi)件(jian)大(da)(da)(da)(da)规模量(liang)产中大(da)(da)(da)(da)幅(fu)提高器(qi)件(jian)的(de)生(sheng)产良率。该(gai)技术(shu)(shu)已申请国(guo)家发明专利(201910388910.4),并将(jiang)(jiang)通过(guo)PCT国(guo)际专利(PCT/CN2019/130362)进入(ru)美国(guo)、加拿大(da)(da)(da)(da)、日本(ben)(ben)、德国(guo)等。



图(tu)3. (a)MOCVD热分解实(shi)现高均匀(yun)性低(di)界面态栅(zha)极(ji)凹(ao)(ao)槽结构的(de)技(ji)术路线(xian);(b)基于MOCVD热分解制备的(de)凹(ao)(ao)槽的(de)表面形貌,热分解自终(zhong)止的(de)验证及(ji)片上均匀(yun)性统(tong)计(ji);(c)利用变频CV表征栅(zha)极(ji)界面态密(mi)度(du)。
  上述相关工(gong)作的(de)主要作者为中科院(yuan)苏州纳(na)米所在读博士研(yan)(yan)究生苏帅(shuai)和(he)钟耀宗,通讯作者为孙钱研(yan)(yan)究员和(he)周宇副研(yan)(yan)究员。上述工(gong)作得到了国(guo)家自然科学重点基金项目、国(guo)家重点研(yan)(yan)发计(ji)划课题、中国(guo)科学院(yuan)重点前(qian)沿科学研(yan)(yan)究计(ji)划、江苏省重点研(yan)(yan)发计(ji)划项目等资(zi)助。













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