第3代半导体材料在5G通讯领域的发展与机遇

陈秀芳 杨祥龙 徐现刚 杨学林 魏同波 刘建利

一、研究背景

宽禁带半导体——碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），是继第1代硅（Si）、锗（Ge）和第2代砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等材料之后发展起来的第3代半导体材料。宽禁带半导体可以在较高的温度和较大的外界能量作用下保持原有的N型或P型导电性能，从而使器件可以在高温和强辐照环境下工作，其临界场强也大，因此器件的耐压程度也较高。第3代半导体主要以SiC、GaN的场效应管为主流，已成为突破600 ℃工作温度、超过兆瓦级的固态功率电子学和10 W/mm高功率密度射频电子的关键器件，属于半导体科学、材料科学、高温电子学、兆瓦功率电子学、高功率微波电子学等跨学科前沿研究领域。

未来的5G通讯系统对移动通信基站的带宽要求达1GHz，传统的Si-LDMOS技术已无法满足需求；随着绿色环保、低碳经济理念在全球不断的推广深入人心，运营商对于移动通信基站的效率提出了越来越高的需求，而射频功率放大器是基站设备中主要的能耗部件，大带宽、高效率、小体积、轻质量、低成本的射频功率放大器需求日益迫切。因此SiC、GaN材料及器件的研究对于5G通讯具有重要意义，是需要进一步发展的高核心技术。

表1是几种常用半导体材料特性的对比，可以清楚地看出SiC和GaN具有宽禁带宽度（如GaN的禁带宽度为3.49 eV）、高临界场强（如GaN击穿电场高达3.3×106 V/cm）、高熱导率、高载流子饱和速率等特性。GaN具有比SiC更高的迁移率，更重要的是GaN可以形成调制掺杂的铝镓氮（AlGaN）/GaN结构，该结构可以在室温下获得更高的电子迁移率、极高的峰值电子速度（3×107 cm/s）和饱和电子速度（2.7×107 cm/s），并获得比GaAs、InP异质结器件中更高的二维电子气浓度（2×1013 /cm2）。因此，以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体成为制造大功率/高频电子器件、短波长光电子器件、高温器件和抗辐照器件最重要的半导体材料，其高频大功率应用的品质因数远远超过了Si和GaAs材料。

二、GaN基射频器件国内外研发现状及趋势分析

GaN基射频器件具有高工作电压、高功率密度、高工作频率以及高带宽等优异特性，是L波段到W波段范围内理想的射频功率器件。GaN材料以其固有的特性优势被认为是应用于下一代5G无线通信的理想射频功率器件的材料。国际上GaN宽禁带半导体固态微波器件研究起步于1993年，Yifeng Wu在1996年最早报道了GaN器件射频功率。Ramakrishna Vetury研究了制约输出效率的物理机制，将其归为表面缺陷引起的电流崩塌效应。Sten Heikman研究了掺铁导致的体陷阱对于GaN电流崩塌的影响。Bruce Green发现采用氮化硅（SiN）钝化的技术可以有效抑制GaN表面陷阱，并实现了大于40%的功率附加效率（PAE）。Naiqian Zhang发现电场强度对于电流崩塌的效果明显，并引入场板结构。

在此基础上，Yifeng Wu采用了SiN钝化工艺和双场板设计，实现了32 W/mm的功率密度和55%的效率。Siddharth Rajan使用了MBE原位钝化技术进行SiN的生长，生长的SiN层有着更好的物理参数和薄膜质量，更致密且耐高温。Fujitsu公司通过使用n掺杂的GaN层加上SiN钝化层的方式，实现了73%的效率。以上研究都是基于小尺寸芯片，为了进一步提高大功率芯片效率，需要降低射频放大管的热阻。美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）在2012年开启了近结热传输项目，TriQuint采用金刚石作为衬底，将沟道温度降低了25%。同时，为了满足未来无线通讯宽带需求，美国MACOM公司于2013年推出了工作频率为20 M～1GHz、功率15 W、增益14 dB、效率60%的GaN HEMT。毫米波段的GaN技术也在不断进行技术更新。2010年，美国HRL实验室（HR）研制了92G～96GHz，输出功率1.5 W，效率15%，增益10 dB的GaN功率单片微波集成电路（MMIC）。2013年，HRL在AlN/ GaN异质结构上制备的20 nm栅长器件fmax超过500GHz，这是目前为止GaN电子器件频率响应的最高值。Fujits和Raython也分别在2010年和2011年研制了75 GHz下连续波输出功率达到1.3 W和91 GHz下1.7 W的GaN功率MMIC。

目前，国内主要研究GaN技术的企业有苏州能讯高能半导体有限公司（简称“苏州能讯”）、中国电子科技集团公司第十三研究所（简称“中国电科13所”）和中国电子科技集团公司第五十五研究所（简称“中国电科55所”）。其中，苏州能讯于2013年建设完成了国内第1条GaN商用电子器件生产线，已经实现了工作频率为2 500 M～2 690 MHz，功率160W，效率70 %的GaN射频器件。中国电科13所已经研发出2.5G～2.7 GHz频段250W高压GaN基站功放，饱和效率达到68%。中国电科55所研制了35 G～38 GHz带内峰值功率达到11.7 W的GaN功率MMIC，并在2016年研制了90 GHz输出功率达到1.1 W的GaN功率MMIC。同时，中国科学院半导体研究所（简称“中科院半导体所”）、北京大学等研究机构在氮化物材料生长、射频器件设计和器件工艺、可靠性机理与表征、器件模型、功放设计等方面也有较厚的研究基础。

横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）技术自1995年应用于移动通信基站射频功放以来，以其优异的性能迅速占领了几乎全部的2G和3G市场份额。由于巨大的出货量支撑使其成本迅速降低，从而形成了其他技术难以竞争的技术格局。更为遗憾的是该项技术主要被飞思卡尔（Freescale）公司、荷兰恩智浦（NXP）公司和德国英飞凌（Infineon）公司等3家欧美企业垄断，面对如此巨大的市场需求，我国的半导体企业却难以与其争锋、有所作为。目前，GaN技术在移动通信基站射频功放的应用在全球都还处于起步阶段。我国如能从现在起重点投入研发该项技术，必将能够避免LDMOS技术受制于人的被动局面，有望在未来GaN技术的全球竞争中实现弯道超车，占有一席之地。

长期演进（Long Term Evolution，LTE）系统作为全球4G网络主流的技术和产业，具有最广泛的应用前景和市场容量。2012年以来，全球LTE发展进入快车道。根据全球权威市场研究机构ABI Research 的调研预测，2015-2020年无线通信领域LDMOS器件的市场规模将从11亿美元增长到12亿美元左右，而GaN器件的市场规模将从1.6亿美元增长到3亿美元左右，显示了未来巨大的市场。

目前全球用于移动通讯基站射频功率器件的市场规模超过10亿美元，基本被美欧企业垄断。GaN相比于目前传统的硅基LDMOS及GaAs器件等具有显著优势，在下一代无线通讯基站、卫星通讯领域具有广泛的应用前景。国内的GaN半导体技术与产业化进程整体竞争力与国际相比仍存在较大差距，但在中国政府科技规划和专项投入的积极鼓励和带动下，正呈现出强劲的发展势头。针对5G通讯行业的自主发展，打破国外垄断。2016年度国家重点研发计划“战略性先进电子材料”设立了“面向下一代移动通信的GaN基射频器件关键技术及系统应用”专项。该专项的设立意义重大，瞄准了第3代半导体技术在移动通信基站发展的机遇，通过项目组的共同努力，有望实现第3代半导体材料、器件与电路在通信系统的应用，带动国产射频产业链的全面发展。

但由于目前体块的GaN单晶衬底在尺寸和质量方面尚未達标，目前主流的AlGaN/GaN结构均在半绝缘SiC衬底上生长，从而可利用SiC的高热导率特性。因此生长大尺寸高质量的SiC体块单晶，并用于GaN外延异质结材料的生长，实现具有自主知识产权的基于SiC衬底的GaN高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）器件及射频功率放大器模块，实现针对4G及5G系统完成应用验证就具有重大意义。

国外SiC晶体材料的研究始于20世纪60年代，生长方法有物理气相传输（PVT）法、高温化学气相沉积（HTCVD）法、气液固法（VLS）法等。20世纪90年代，美国率先采用PVT法生长SiC单晶取得了重要突破，现阶段SiC单晶的厂商绝大部分采用PVT法进行生长。美国科锐（Cree）公司一直处于SiC晶体材料和器件乃至整个SiC半导体行业的垄断地位，2010年8月，Cree公司发布了直径6英寸的N型SiC晶体，2012年Cree开始推出6英寸的SiC衬底产品，将其主要应用于发光二极管。美国贰陆（II-VI）公司和道康宁（Dow Corning）公司等在投入大量资金致力于SiC晶体生长研究的同时，通过关键装备以及核心加工技术的引进或者代加工的方法解决了SiC衬底加工的瓶颈问题。截至2015年，Cree、Dow Corning和II-VI等均可提供商用6英寸N型SiC衬底材料。2016年，Cree可提供8英寸N型SiC衬底。但是，Cree公司在6英寸半绝缘单晶方面的报道较少，其他公司的6英寸半绝缘衬底产品也鲜有报道。

国内开展SiC单晶的研究开始较晚，目前主要有山东大学、中国科学院物理研究所、中国科学院硅酸盐研究所、中国电子科技集团公司第二研究所等单位。截至目前，我国SiC单晶整体水平依然落后于欧美国家。另外，美国Cree公司对其半绝缘产品实行禁运。因此，6英寸半绝缘SiC衬底需要自主研发，从而打破国外垄断地位，真正实现材料、器件、模块、装备的一条龙国产化。山东大学在先进电子材料重点专项的支持下，研究了大尺寸SiC单晶生长初期成核控制，模拟计算了关键工艺参数，优化生长工艺降低浅能级杂质浓度，生长出6英寸半绝缘单晶（如图1所示），为外延高质量高阻GaN奠定了良好基础。

SiC衬底上生长GaN异质结构是新一代微波功率器件发展的核心材料，我国SiC衬底AlGaN/GaN异质结构材料研制已取得一定进展，中科院半导体所、西安电子科技大学、中国电科13所、中国电科55所、苏州能讯、北京大学等单位联合公关，初步攻克了高迁移率GaN基异质结构制备的关键技术，2～3英寸SiC衬底AlGaN/GaN异质结构室温电子迁移率已突破2 000 cm2/Vs，并可实现批量供片，4英寸SiC衬底AlGaN/GaN异质结构材料也已达到实用化水平。另一方面，在毫米波器件研制上优势更加明显的InAlN/GaN晶格匹配异质结构研究上，中国电科13所、北京大学、西安电子科技大学也取得了显著进展，室温2DEG迁移率超过了2 000 cm2/Vs，处于国际领先水平，但在材料均匀性和漏电、缺陷控制等方面离实用化与国外还有一定差距，也是制约国产器件最终走向实用化以及产业化的关键制约因素。这与我国当前的现状以及体制密切相关，需要众多研究所和大学一起合作，充分发挥各自的优势，提升我国在这一领域的竞争力。在已启动的国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项中，针对这一问题已做了全产业链布局，有望实现突破。针对下一代移动通信基站对射频功放的需求，通过技术研发，突破大尺寸SiC衬底上高质量GaN外延生长关键技术，研制出满足高温、高频、大功率射频器件所需要的结构材料，从而打破美日等发达国家在高功率射频领域对我国的技术封锁，为5G通信的国产化奠定基础。

三、展望

未来5G系统将支持海量的机器通信，以智慧城市、智能家居等为代表的典型应用场景与移动通信深度融合，预期千亿量级的设备将接入5G网络。5G还将以其超高可靠性、超低时延的卓越性能，引爆如车联网、移动医疗、工业互联网等垂直行业应用。在商用初期，运营商开展5G网络大规模建设。预计2020年，电信运营商在5G网络设备上的投资超过2 200亿元，各行业在5G设备方面的支出超过540亿元。随着5G向垂直行业应用的渗透融合，各行业在5G设备上的支出将稳步增长，成为带动相关设备制造企业收入增长的主要力量。2030年，预计各行业各领域在5G设备上的支出超过5 200亿元，在设备制造企业总收入中的占比接近69%。因此，第3代半导体材料在5G通讯应用中有着非常广阔的前景和机遇。