从“芯”出发，培育中国宽禁带半导体发展新动能——记西安电子科技大学副教授赵胜雷

宋 洁

赵胜雷在半导体超净工艺间工作照

芯片被誉为现代工业的粮食，目前，芯片对电子产品的渗透率接近100%，已成为现代信息社会的细胞。然而在这一重要的战略技术领域，我国起步较晚，尚有较大的追赶空间。在芯片研发过程中，关键的工艺水平和工艺设备的欠缺，成了阻碍我国芯片产业发展的重要因素。芯片“断供”事件让中国的研究者更清楚地认识到，关键核心技术“要不来”“买不来”“讨不来”，从源头攻关，破解核心技术难题，是行业未来发展的必由之路。我国芯片行业“追赶先进”的紧迫性及电力电子新兴应用对小型化、高效率以及低功耗的实际需求，让投身到功率半导体器件研发领域十余年的赵胜雷更加坚定自己的选择。赵胜雷认为，充分发掘第三代半导体材料的优势，以产业化需求为核心导向，从科研层面和产业层面同时发力，为整个芯片系统提供更加优良的解决方案，就是现阶段他要做的事。

小荷尖尖，求学路上结硕果

20世纪80年代，以SiC、GaN为代表的第三代半导体材料出现，区别于以Si为代表的第一代半导体材料和以GaAs、InSb、InP为代表的第二代半导体材料，第三代半导体材料又被称为宽禁带半导体材料，其优异的高频特性、高温特性、高耐压、高功率、小体积等特性，为进一步提升相关器件的性能提供了更大的空间。随后信息科技的兴起，对芯片研发生产及微电子技术提出了更高要求，也催生了宽禁带半导体材料与芯片行业的融合。

西安电子科技大学的郝跃院士敏锐地察觉到：Si基材料的相关产品已接近其理论极限，宽禁带半导体材料研究可以极大推动相关器件的进步，满足信息时代对芯片行业的更高需求，同时可以绕过欧美已经形成巨大优势的第一代、第二代半导体材料研究应用领域，为我国芯片行业赢得先发优势。郝跃院士就此展开对宽禁带半导体材料与器件的研究，以期充分挖掘宽禁带半导体材料特性，大幅提升功率器件性能。在郝跃院士的带领下，西安电子科技大学宽禁带半导体材料与器件国防重点学科实验室顺利挂牌。伴随着这股研究风潮，2010年，西电学子赵胜雷以优异的成绩结束本科阶段的学习，免试进入郝跃院士的团队，开始为期5年的硕博生涯。

当时，我国对GaN的研究已初具规模，但在实际应用中，GaN器件的击穿电压与其理论极限还有很大距离，其击穿特性尚有很大的提升空间。为了充分提高GaN基电力电子器件的击穿特性，赵胜雷从原理和应用层面对其击穿机理进行研究并提供了相应的解决方案，在击穿表征方法、AlGaN沟道高压器件、InAlN/GaN MISHEMT增强型器件等方面取得了多项原创性成果。此外，赵胜雷发现Si器件的击穿表征方法并不完全适用于GaN器件，随即就GaN击穿表征方法的局限性提出了具有针对性的解决方案，这一研究成果发表于电力电子领域顶级期刊IEEE Transactions on Power Electronics上，也是我国学者在该刊发表的首篇GaN论文。

郝跃院士“坚持服务国家重大需求”的追求也深深影响了赵胜雷，优秀的学术成果并没有让他就此止步不前。在赵胜雷看来，对于宽禁带半导体的研究，最终落点是服务产业工程应用，将研究成果进行产业转化。了解产业界的具体需求并据此发掘科研的着力点，是宽禁带半导体研究产业化的不二法门。怀揣着“去产业界看一看”的想法，赵胜雷开启了新的人生阶段。

产学研结合，开辟宽禁带半导体应用新格局

博士毕业后，赵胜雷选择中国电子科技集团公司第24研究所作为“深入产业界”的第一站。在这里，赵胜雷从事Si基VDMOS功率器件产品开发，成功研制出3款Si基抗辐射VDMOS功率器件产品，实现经济效益超2000万元。一年后，赵胜雷入职华为技术有限公司2012实验室，作为技术骨干参与5G通信核心器件工程产品的研发，三获华为技术芯星奖。在与宽禁带半导体实际应用接触的过程中，赵胜雷从企业和市场的实际需求出发，在获得良好市场反馈的同时，他也借由行业的实际情况不断寻找宽禁带半导体进一步研究的靶点。带着这些“一手材料”，赵胜雷以“华山学者菁英计划”人才引进形式回到西安电子科技大学工作，针对相关产品的关键问题，全面开展产学研合作。

据赵胜雷介绍，目前GaN电子器件主要包括两个应用方向：电力电子器件与射频器件。在电力电子领域，主要关注击穿电压和导通电阻两个指标。GaN器件击穿电压远高于Si器件，同时在相同应用电压下，GaN电力电子器件的特征导通电阻可以降低两个数量级。在1000V以内的应用环境中，其开关频率远高于Si基与SiC器件，可有效降低电路体积、减小电路功耗。此外，GaN电力电子器件可适用于手机快充、电动汽车、数据中心等应用场景，华为、小米等公司已有上百款GaN手机快充产品投入市场，日本方面采用GaN器件逆变器生产的电动汽车，时速可达50公里/小时，这意味着GaN器件在电动汽车市场应用潜力巨大。在解决器件全面指标、可靠性、电路应用、成本、市场推广等问题后，GaN电力电子器件有望应用于上万亿的电力电子应用中。

在射频器件领域，GaN器件具备更高的击穿电压和输出功率等优势。目前在5G基站、军用雷达等领域，已广泛采用GaN射频器件替代传统LDMOS与GaAs射频器件，以满足高速、大功率、大信息容量的需求。预计在2030年可以进入产业化的6G通信领域，也须借由GaN器件释放其巨大市场潜力和强大发展动力。在航空航天领域，由于良好的耐高温性能，使用GaN器件可减少大量冷却设备、有效降低设备重量；同时凭借宽禁带优势与无栅氧器件结构，GaN器件具备较强的抗辐照能力，在宇航领域具有广阔应用前景。

围绕应用需求，赵胜雷先后主持了多项国家自然科学金面上项目、国家重点研发计划、国防科技创新特区项目子课题等项目，作为技术骨干参与了国家科技重大专项、国家自然科学基金面上项目等项目10余项。在最新的国家自然基金面上项目中，赵胜雷将目光投向对AC-AC矩阵变换器中双向阻断电力电子器件的研究。不同于传统双向开关电力电子器件+二极管的构成方式，赵胜雷通过采用具有双向阻断能力的电力电子器件，去除二极管，减少器件数量、缩小芯片体积、有效降低双向开关电路的功耗。经过对比，赵胜雷选择了具有更优的击穿特性和器件综合特性的AlGaN沟道HEMT，展开对器件击穿电压与特征导通电阻的矛盾关系、肖特基漏开启电压与漏电极反向漏电的矛盾关系、高温击穿机理的探索问题等关键问题的研究，全面提升AlGaN沟道双向阻断功率器件特性。目前，该项研究已获得3000V双向阻断特性，远超国际报道的900V最高水平，在双向开关与矩阵变换器领域有重要的战略意义和应用价值。此外，在国家科技重大专项项目中，赵胜雷创新性地采用了低功函数W金属、氧化终端结构等技术，研制了低开启、高电场强度的GaN准垂直SBD器件，相关科研成果发表在IEEE EDL、APEX、JPD等国际知名期刊，并被Compound Semiconductor、CSC化合物半导体及宽禁半导体技术创新联盟等国内外半导体专业媒体进行专题报道或转载。与此同时，赵胜雷申请与授权国家发明专利30项，并荣获中国研究生创芯大赛一等奖及优秀指导教师称号。

作为少见的拥有高校、研究所、一线企业研究实践背景的科研学者，赵胜雷坦言，中国拥有世界上最大的器件市场，具有强大的市场拉动力，这也为科研和产业发展创造了极好的机会。未来，赵胜雷将继续在氮化物横向HEMT电力电子器件、氮化物垂直电力电子器件和功率器件可靠性与产业化领域不断发力，为我国更低能耗、更优性能的半导体器件与芯片发展不懈奋斗。