從“芯”出發，培育中國寬禁帶半導體發展新動能
——記西安電子科技大學副教授趙勝雷

宋 潔

趙勝雷在半導體超凈工藝間工作照

芯片被譽為現代工業的糧食，目前，芯片對電子產品的滲透率接近100%，已成為現代信息社會的細胞。然而在這一重要的戰略技術領域，我國起步較晚，尚有較大的追趕空間。在芯片研發過程中，關鍵的工藝水平和工藝設備的欠缺，成了阻礙我國芯片產業發展的重要因素。芯片“斷供”事件讓中國的研究者更清楚地認識到，關鍵核心技術“要不來”“買不來”“討不來”，從源頭攻關，破解核心技術難題，是行業未來發展的必由之路。我國芯片行業“追趕先進”的緊迫性及電力電子新興應用對小型化、高效率以及低功耗的實際需求，讓投身到功率半導體器件研發領域十余年的趙勝雷更加堅定自己的選擇。趙勝雷認為，充分發掘第三代半導體材料的優勢，以產業化需求為核心導向，從科研層面和產業層面同時發力，為整個芯片系統提供更加優良的解決方案，就是現階段他要做的事。

小荷尖尖，求學路上結碩果

20世紀80年代，以SiC、GaN為代表的第三代半導體材料出現，區別于以Si為代表的第一代半導體材料和以GaAs、InSb、InP為代表的第二代半導體材料，第三代半導體材料又被稱為寬禁帶半導體材料，其優異的高頻特性、高溫特性、高耐壓、高功率、小體積等特性，為進一步提升相關器件的性能提供了更大的空間。隨后信息科技的興起，對芯片研發生產及微電子技術提出了更高要求，也催生了寬禁帶半導體材料與芯片行業的融合。

西安電子科技大學的郝躍院士敏銳地察覺到：Si基材料的相關產品已接近其理論極限，寬禁帶半導體材料研究可以極大推動相關器件的進步，滿足信息時代對芯片行業的更高需求，同時可以繞過歐美已經形成巨大優勢的第一代、第二代半導體材料研究應用領域，為我國芯片行業贏得先發優勢。郝躍院士就此展開對寬禁帶半導體材料與器件的研究，以期充分挖掘寬禁帶半導體材料特性，大幅提升功率器件性能。在郝躍院士的帶領下，西安電子科技大學寬禁帶半導體材料與器件國防重點學科實驗室順利掛牌。伴隨著這股研究風潮，2010年，西電學子趙勝雷以優異的成績結束本科階段的學習，免試進入郝躍院士的團隊，開始為期5年的碩博生涯。

當時，我國對GaN的研究已初具規模，但在實際應用中，GaN器件的擊穿電壓與其理論極限還有很大距離，其擊穿特性尚有很大的提升空間。為了充分提高GaN基電力電子器件的擊穿特性，趙勝雷從原理和應用層面對其擊穿機理進行研究并提供了相應的解決方案，在擊穿表征方法、AlGaN溝道高壓器件、InAlN/GaN MISHEMT增強型器件等方面取得了多項原創性成果。此外，趙勝雷發現Si器件的擊穿表征方法并不完全適用于GaN器件，隨即就GaN擊穿表征方法的局限性提出了具有針對性的解決方案，這一研究成果發表于電力電子領域頂級期刊IEEE Transactions on Power Electronics上，也是我國學者在該刊發表的首篇GaN論文。

郝躍院士“堅持服務國家重大需求”的追求也深深影響了趙勝雷，優秀的學術成果并沒有讓他就此止步不前。在趙勝雷看來，對于寬禁帶半導體的研究，最終落點是服務產業工程應用，將研究成果進行產業轉化。了解產業界的具體需求并據此發掘科研的著力點，是寬禁帶半導體研究產業化的不二法門。懷揣著“去產業界看一看”的想法，趙勝雷開啟了新的人生階段。

產學研結合，開辟寬禁帶半導體應用新格局

博士畢業后，趙勝雷選擇中國電子科技集團公司第24研究所作為“深入產業界”的第一站。在這里，趙勝雷從事Si基VDMOS功率器件產品開發，成功研制出3款Si基抗輻射VDMOS功率器件產品，實現經濟效益超2000萬元。一年后，趙勝雷入職華為技術有限公司2012實驗室，作為技術骨干參與5G通信核心器件工程產品的研發，三獲華為技術芯星獎。在與寬禁帶半導體實際應用接觸的過程中，趙勝雷從企業和市場的實際需求出發，在獲得良好市場反饋的同時，他也借由行業的實際情況不斷尋找寬禁帶半導體進一步研究的靶點。帶著這些“一手材料”，趙勝雷以“華山學者菁英計劃”人才引進形式回到西安電子科技大學工作，針對相關產品的關鍵問題，全面開展產學研合作。

據趙勝雷介紹，目前GaN電子器件主要包括兩個應用方向：電力電子器件與射頻器件。在電力電子領域，主要關注擊穿電壓和導通電阻兩個指標。GaN器件擊穿電壓遠高于Si器件，同時在相同應用電壓下，GaN電力電子器件的特征導通電阻可以降低兩個數量級。在1000V以內的應用環境中，其開關頻率遠高于Si基與SiC器件，可有效降低電路體積、減小電路功耗。此外，GaN電力電子器件可適用于手機快充、電動汽車、數據中心等應用場景，華為、小米等公司已有上百款GaN手機快充產品投入市場，日本方面采用GaN器件逆變器生產的電動汽車，時速可達50公里/小時，這意味著GaN器件在電動汽車市場應用潛力巨大。在解決器件全面指標、可靠性、電路應用、成本、市場推廣等問題后，GaN電力電子器件有望應用于上萬億的電力電子應用中。

在射頻器件領域，GaN器件具備更高的擊穿電壓和輸出功率等優勢。目前在5G基站、軍用雷達等領域，已廣泛采用GaN射頻器件替代傳統LDMOS與GaAs射頻器件，以滿足高速、大功率、大信息容量的需求。預計在2030年可以進入產業化的6G通信領域，也須借由GaN器件釋放其巨大市場潛力和強大發展動力。在航空航天領域，由于良好的耐高溫性能，使用GaN器件可減少大量冷卻設備、有效降低設備重量；同時憑借寬禁帶優勢與無柵氧器件結構，GaN器件具備較強的抗輻照能力，在宇航領域具有廣闊應用前景。

圍繞應用需求，趙勝雷先后主持了多項國家自然科學金面上項目、國家重點研發計劃、國防科技創新特區項目子課題等項目，作為技術骨干參與了國家科技重大專項、國家自然科學基金面上項目等項目10余項。在最新的國家自然基金面上項目中，趙勝雷將目光投向對AC-AC矩陣變換器中雙向阻斷電力電子器件的研究。不同于傳統雙向開關電力電子器件+二極管的構成方式，趙勝雷通過采用具有雙向阻斷能力的電力電子器件，去除二極管，減少器件數量、縮小芯片體積、有效降低雙向開關電路的功耗。經過對比，趙勝雷選擇了具有更優的擊穿特性和器件綜合特性的AlGaN溝道HEMT，展開對器件擊穿電壓與特征導通電阻的矛盾關系、肖特基漏開啟電壓與漏電極反向漏電的矛盾關系、高溫擊穿機理的探索問題等關鍵問題的研究，全面提升AlGaN溝道雙向阻斷功率器件特性。目前，該項研究已獲得3000V雙向阻斷特性，遠超國際報道的900V最高水平，在雙向開關與矩陣變換器領域有重要的戰略意義和應用價值。此外，在國家科技重大專項項目中，趙勝雷創新性地采用了低功函數W金屬、氧化終端結構等技術，研制了低開啟、高電場強度的GaN準垂直SBD器件，相關科研成果發表在IEEE EDL、APEX、JPD等國際知名期刊，并被Compound Semiconductor、CSC化合物半導體及寬禁半導體技術創新聯盟等國內外半導體專業媒體進行專題報道或轉載。與此同時，趙勝雷申請與授權國家發明專利30項，并榮獲中國研究生創芯大賽一等獎及優秀指導教師稱號。

作為少見的擁有高校、研究所、一線企業研究實踐背景的科研學者，趙勝雷坦言，中國擁有世界上最大的器件市場，具有強大的市場拉動力，這也為科研和產業發展創造了極好的機會。未來，趙勝雷將繼續在氮化物橫向HEMT電力電子器件、氮化物垂直電力電子器件和功率器件可靠性與產業化領域不斷發力，為我國更低能耗、更優性能的半導體器件與芯片發展不懈奮斗。