整個社會越來越像科幻片，教育、高清視頻、家庭智能系統等等都可以通過各種移動終端實現，各種消費品都開始聯網，人類社會萬物互聯，逐步實現數字化生存。高速的移動通信網絡既是擴大消費，促進經濟發展的硬件條件，也是重要推手。移動通信技術的提升將刺激互聯網的發展，也將極大帶動經濟發展。萬物互聯的背景下，加上高速率的保證，移動信息消費潛力巨大。世界各國相關研究機構、設備商和運營商就將目光投向了移動通信技術，比如5G，爭先恐后地開展戰略布局和科技研發以占得先機。

 

　　其中，在新一代移動通信技術的發展中，以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)等寬禁帶化合物為代表的第三代半導體材料不可忽視。第三代半導體具備禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射能力強等優越性能，是固態光源、下一代射頻和電力電子器件的“核芯”，在半導體照明、消費類電子、5G移動通信、智能電網等領域有廣闊的應用前景。預計到2020年，第三代半導體技術應用將在節能減排、信息技術、國防三大領域催生上萬億元的潛在市場。那么新一代通信技術發展的背景下，第三代半導體會有怎樣的作為？

　　2016年11月15日至17日， 2016中國(北京)跨國技術轉移大會暨第三代半導體國際論壇（以下簡稱“跨國技術轉移大會”）在北京國際會議中心盛大召開。此次跨國技術轉移大會，由中國科技部與北京市人民政府主辦，將覆蓋眾多科技、產業創新熱點領域。第十三屆中國國際半導體照明論壇（SSLCHINA2016）也受到北京市科委邀請，與大會同期同地舉行。

 

　　圍繞第三代半導體，今年跨國技術轉移大會專門設置了多場分會，其中，11月16日下午舉行的“第三代半導體與新一代移動通信技術”分會，圍繞著第三代半導體與新一代移動通信技術展開多維度的探討，涉及高性能GaN開關電源，GaN、SiC材料外延及電子器件等眾多熱點。

 

　　分會匯集了來自全球相關領域的精英力量參與，邀請了來自蘇州能訊高能半導體有限公司董事長張乃千，美國加州大學洛杉磯分校特聘教授王康隆，日本德島大學教授、西安電子科技大學教授敖金平，南京電子器件研究所副教授孔月嬋，中國電子科技集團公司第十三研究所副所長蔡樹軍、臺灣長庚大學教授邱顯欽，臺灣中央大學電子工程系講座教授綦振瀛、中興通訊股份有限公司射頻功放平臺總工劉建利，河北半導體研究所高級工程師呂元杰， Plasma-Therm技術推廣總監、主任研究員David Lishan，河北半導體研究所博士，專用集成電路國家級重點實驗室外延部部長房玉龍（王元剛代講），中國電子科技集團公司第五十五研究所、專用集成電路國家級重點實驗室、西安電子科技大學等國內外眾多科研院所、高校、大型代表企業的重量級嘉賓，共同坐鎮，集中暢談技術研究進展，產業格局以及企業未來發展戰略。

　　其中，臺灣中央大學電子工程系講座教授綦振瀛在射頻通信用AlInN/GaN HEMT器件的MOCVD外延生長主題報告中指出，晶格匹配AlInN/GaN異質結構是功率和射頻器件應用的理想選擇，因其較強的自發極化（效應），導致其比AlGaN/GaN異質結構擁有更高的載流子濃度和更低的溝道電阻。這一優點對毫米波設備的操作更為重要，因為它對橫向和縱向的物理縮放設備尺寸非常必要。

 

　　在這個物質系統中，雖然晶格應變的問題較小，InN和AlN的不混溶性使高質量的AlInN更難制備。深入分析表明，除聲子散射和位錯散射外，合金散射和界面粗糙度散射在AlInN/GaN高電子遷移率晶體管的輸運特性方面發揮重要作用（HEMT）。從實驗和理論角度，審查和討論生于金屬有機化學氣相沉積的高電子遷移率、低通道電阻AlInN/GaN HEMT的生長技術和層狀結構設計。

 

　　移動通信網絡從上世紀八十年代產生以來，歷經了三十余年的發展歷史，從1G到5G,每一次更新換代都是顛覆性技術引領來解決了當時的最主要需求。我們正處在一個移動互聯網高速發展的時代，網絡技術演進的狀態是一方面4G網絡高速建設，另一方面5G技術研究快速推進。

　　中興通訊股份有限公司射頻功放平臺總工劉建利在“射頻功率器件在移動通信基站射頻功率放大器中的應用”報告中指出，展望未來移動通信基站的發展，超寬帶、低功耗、集成小型化將是其必然趨勢。相應的對基站內部的射頻功率放大器在輸出功率、能耗效率、信號帶寬、可靠性、體積、重量及成本等多方面提出了更高的要求。傳統的LDMOS技術雖然仍然占據了基站射頻功放的絕大多數應用場景，但面對未來的需求，其技術指標已經難于滿足，并且LDMOS技術由于經過二十多年的演進，指標的提升已接近極限。而GaN技術以其寬禁帶材料固有的特性，使得器件在工作頻率、功率、效率、帶寬、體積等諸多方面呈現出更加優異的性能。GaN射頻功率器件的應用2012年前后開始起步，預計到2019年將占到20%以上的市場份額。

　　為了抑制無線通訊系統中功率放大器的信號扭曲，對GaN器件的線性度提出了越來越嚴格的要求。傳統GaN基異質結場效應晶體管(HFET)的跨導會在到達峰值后迅速下降，嚴重影響器件的大信號可用增益。河北半導體研究所博士，專用集成電路國家級重點實驗室外延部部長房玉龍（王元剛博士代講）分享了“高線性度步分級AlGaN/GaN異質結場效應晶體管”演講報告中指出，為了抑制跨導下降，科研人員在器件溝道設計方面進行了大量研究，包括雙溝道結構、復合溝道結構和緩變異質結結構。基于緩變 AlGaN/GaN異質結結構的HFET被認為是實現高線性應用的重要途徑，其有源層的基本結構為漸變組分的 AlGaN層。但是，基于緩變 AlGaN/GaN異質結結構的HFET材料在外延生長時工藝控制較難，因而不易實現良好的片內均勻性。

 

　　王元剛表示，設計并研制出基于梯度緩變的AlGaN/GaN異質結結構的HFET。與線性緩變的AlGaN/GaN異質結結構的HFET器件相比，基于梯度緩變結的器件表現出相當的器件特性，特別是寬且平的跨導特性。基于梯度緩變結的器件還表現出更好的片內均勻性?？紤]到不同梯度AlGaN/GaN緩變結不同位置的載流子特性，提出準多溝道模型對器件特性進行解釋。希望該結構能夠推動GaN器件在無線通訊系統中的產業化應用。

　　Plasma-Therm技術推廣總監、主任研究員David Lishan在“GaN基器件使用等離子切割產生效益”報告時表示， 這里提出了一種新方法，采用進料側等離子切割，避免了這些問題，解決薄晶片（＜150µ米），適應GaN基層。我們的方法是利用狹窄的路寬（≤15µm）和采用低應力、圓角的芯片/無裂紋邊緣。由于所有的路寬都是同時蝕刻，并由模具本身定義，可以實現的靈活的模具布局和模具形狀。同時，它使更多優良的芯片模組，更高的生產量和更好的芯片可靠性。例如，減少切割的路寬，從典型的75?m到15?m，為每個晶圓模組增加近11%的1mm2模組，減少裂止動環的附加成本。

 

　　David Lishan表示，電力、內存、物流、成像傳感器、LED、RFID、MEMS采用這種技術，需要解決一系列的變量，如材料的相容性、接合墊/凸起，過程控制/調整結構和里襯金屬。將介紹特殊情況下的處理選項和方案，硅基氮化鎵改進加工和包裝進程。

　　日本德島大學教授、西安電子科技大學教授敖金平分享了“AlGaN/GaN異質結場效應晶體管的等離子輔助的低溫退火歐姆過程”主題報告。報告中介紹了一種借助感應耦合等離子體（ICP）表面處理，在AlGaN/GaN異質結場效應晶體管(HFET)上實現的低溫歐姆接觸工藝。探討了ICP工藝對二維電子氣溝道的影響和低溫歐姆接觸形成的機理。我們發現，適當的AlGaN剩余厚度和等離子體引起的表面損傷是形成低溫歐姆接觸的兩個關鍵因素。利用單層的Al層取代常規的TiAl，在575°C 和3分鐘的合金條件下，獲得0.35Wmm的接觸電阻。在500 °C和20分鐘的合金條件下也獲得了較好的歐姆接觸?；谶@種低溫歐姆接觸工藝，我們研制了幾種具有自對準柵結構的AlGaN/GaN HFET射頻器件，以期在微波毫米波領域應用。

　　臺灣長庚大學教授邱顯欽對采用SOI氮化鎵基板技術的高性能開關電源和頻射功率器件做了重點介紹。他表示，在過去十年中，全球硅基板上6寸的空乏型氮化鎵場效應晶體管不僅從晶圓片磊晶，半導體制程，以及到后段封裝技術上表現出了極大的成功和巨大的進步。此外，由于在成熟的GaN FET技術，制造成本也降低了。GaN材料吸引了許多的關注，因為它們的幾個特殊的性質：如好的熱穩定性，高的擊穿電壓，高電子速度，和高的電流密度…等等。氮化鎵可在高溫環境下且高頻率和高電壓操作下應用，尤其是在未來開關電源的應用以及微波功率放大器上使用。然而，GaN組件制做在Si基板上的缺點，在于GaN和Si之間的晶格以及熱膨脹系數的不匹配。這些問題將導致在封裝時，Si基板的薄化處理，將造成芯片的彎曲和應力上的問題。

 

　　在這次研究中，HEMT外延結構，無金制程，類鉆碳散熱層和空氣橋的熱分配層設計優化將進行研究，并且在長庚大學實現完成商業規格。將制作600V的擊穿電壓和6A?50A的輸出電流的高功率器件，且使用低電壓的Si的控制裝置，配合相關封裝技術，利用堆棧方式制作增強型功率器件實現適于開關電源和音頻放大器等應用。

 

　　在射頻功率器件應用，我們將導入絕緣體在硅基板(SOI)上代替一般的硅基板，因為SOI基板可以減少垂直緩沖層的漏電流，且可以減小在緩沖層和硅基板之間的寄生器件電容，我們實現超過氮化鎵100伏的擊穿電壓和高功率附加轉換效率在功率組件在SOI基板上，這種產品適用于L band 功率放大器應用。

　　河北半導體研究所高級工程師呂元杰分享了“采用凹柵工藝提升AlGaN/GaN HFETs器件性能”演講報告。歸因于大的擊穿場強和高的電子飽和漂移速度，AlGaN/GaN異質結場效應晶體管（HFETs）可在高壓和大功率領域應用。目前AlGaN/GaN HFETs器件已廣泛應用于固態功率放大器，涵蓋L (1-2 GHz) 至W (75-110 GHz)波段。然而，國際已報道的器件中電流增益截止頻率(fT)大于110 GHz時，最大振蕩頻率(fmax)都小于230GHz，這大大限制了在D波段(110-170GHz)的功放應用。

 

　　呂元杰介紹說，結合凹柵工藝和再生長歐姆接觸工藝，大幅提升了AlGaN/GaN HFETs器件性能。采用再生長歐姆接觸工藝，器件源漏間距(Lsd)縮小至600 nm。器件開態電阻(Ron)為0.81 ?·mm。在蒸發60nm柵金屬之前采用低功率等離子體刻蝕工藝實現低損傷凹柵工藝。采用凹柵工藝后器件的短溝道效應被很好的抑制。峰值跨導(gm)從607 mS/mm提升至 764 mS/mm。此外，采用射頻小信號測試得到未刻蝕器件的fT和fmax分別為152 GHz and 192 GHz，而采用凹柵工藝的器件fT仍然保持149 GHz，fmax提升至263GHz，同時展示出最高的fT*fmax值。這表明通過進一步優化材料和器件工藝，AlGaN/GaN HFETs器件有望實現在D波段的功放應用。

　　南京電子器件研究所副教授孔月嬋分享了“fT > 260 GHz時高性能超薄第四組InAlGaN勢壘HEMT器件”研究報告。她表示，GaN 基高電子遷移率晶體管（HEMT）在微波大功率器件領域具備獨特優勢和潛力。與傳統的高頻器件不同，本文采用的新型超薄勢壘層InAlGaN/GaN異質結構在異質界面處顯示出更強的極化作用，因此在降低接觸電阻的同時可以極大的降低器件在高頻條件下的短溝道效應（SCE）。室溫條件下的霍爾測試得到材料方阻195 ，載流子濃度1.8 × 1013cm-2，載流子遷移率1770 cm2/V•s。采用電子束工藝定義的60 nm直柵結構器件顯示出優異的直流和微波性能，飽和電流密度達到2.5 A/mm，線性區電阻0.94 ，峰值跨導達到0.97 S/mm，電流增益截止頻率達到261 GHz，功率增益截止頻率74 GHz，有效載流子速度達到0.98×107 cm/s。該成果是目前60 nm柵長GaN基HEMTs器件領域的最佳性能。計算1 mA/mm時的漏致勢壘降低（DIBL）得到200 mV/V，顯示出該器件在高頻條件下具有較好的短溝道抑制性能。