宋 潔

趙勝雷在半導(dǎo)體超凈工藝間工作照

芯片被譽為現(xiàn)代工業(yè)的糧食，目前，芯片對電子產(chǎn)品的滲透率接近100%，已成為現(xiàn)代信息社會的細胞。然而在這一重要的戰(zhàn)略技術(shù)領(lǐng)域，我國起步較晚，尚有較大的追趕空間。在芯片研發(fā)過程中，關(guān)鍵的工藝水平和工藝設(shè)備的欠缺，成了阻礙我國芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。芯片“斷供”事件讓中國的研究者更清楚地認(rèn)識到，關(guān)鍵核心技術(shù)“要不來”“買不來”“討不來”，從源頭攻關(guān)，破解核心技術(shù)難題，是行業(yè)未來發(fā)展的必由之路。我國芯片行業(yè)“追趕先進”的緊迫性及電力電子新興應(yīng)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(dǎo)體器件研發(fā)領(lǐng)域十余年的趙勝雷更加堅定自己的選擇。趙勝雷認(rèn)為，充分發(fā)掘第三代半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢，以產(chǎn)業(yè)化需求為核心導(dǎo)向，從科研層面和產(chǎn)業(yè)層面同時發(fā)力，為整個芯片系統(tǒng)提供更加優(yōu)良的解決方案，就是現(xiàn)階段他要做的事。

小荷尖尖，求學(xué)路上結(jié)碩果

20世紀(jì)80年代，以SiC、GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料出現(xiàn)，區(qū)別于以Si為代表的第一代半導(dǎo)體材料和以GaAs、InSb、InP為代表的第二代半導(dǎo)體材料，第三代半導(dǎo)體材料又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料，其優(yōu)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(guān)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(fā)生產(chǎn)及微電子技術(shù)提出了更高要求，也催生了寬禁帶半導(dǎo)體材料與芯片行業(yè)的融合。

西安電子科技大學(xué)的郝躍院士敏銳地察覺到：Si基材料的相關(guān)產(chǎn)品已接近其理論極限，寬禁帶半導(dǎo)體材料研究可以極大推動相關(guān)器件的進步，滿足信息時代對芯片行業(yè)的更高需求，同時可以繞過歐美已經(jīng)形成巨大優(yōu)勢的第一代、第二代半導(dǎo)體材料研究應(yīng)用領(lǐng)域，為我國芯片行業(yè)贏得先發(fā)優(yōu)勢。郝躍院士就此展開對寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件的研究，以期充分挖掘?qū)捊麕О雽?dǎo)體材料特性，大幅提升功率器件性能。在郝躍院士的帶領(lǐng)下，西安電子科技大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件國防重點學(xué)科實驗室順利掛牌。伴隨著這股研究風(fēng)潮，2010年，西電學(xué)子趙勝雷以優(yōu)異的成績結(jié)束本科階段的學(xué)習(xí)，免試進入郝躍院士的團隊，開始為期5年的碩博生涯。

當(dāng)時，我國對GaN的研究已初具規(guī)模，但在實際應(yīng)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(yīng)用層面對其擊穿機理進行研究并提供了相應(yīng)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(chuàng)性成果。此外，趙勝雷發(fā)現(xiàn)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(fā)表于電力電子領(lǐng)域頂級期刊IEEE Transactions on Power Electronics上，也是我國學(xué)者在該刊發(fā)表的首篇GaN論文。

郝躍院士“堅持服務(wù)國家重大需求”的追求也深深影響了趙勝雷，優(yōu)秀的學(xué)術(shù)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(dǎo)體的研究，最終落點是服務(wù)產(chǎn)業(yè)工程應(yīng)用，將研究成果進行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。了解產(chǎn)業(yè)界的具體需求并據(jù)此發(fā)掘科研的著力點，是寬禁帶半導(dǎo)體研究產(chǎn)業(yè)化的不二法門。懷揣著“去產(chǎn)業(yè)界看一看”的想法，趙勝雷開啟了新的人生階段。

產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，開辟寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用新格局

博士畢業(yè)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(chǎn)業(yè)界”的第一站。在這里，趙勝雷從事Si基VDMOS功率器件產(chǎn)品開發(fā)，成功研制出3款Si基抗輻射VDMOS功率器件產(chǎn)品，實現(xiàn)經(jīng)濟效益超2000萬元。一年后，趙勝雷入職華為技術(shù)有限公司2012實驗室，作為技術(shù)骨干參與5G通信核心器件工程產(chǎn)品的研發(fā)，三獲華為技術(shù)芯星獎。在與寬禁帶半導(dǎo)體實際應(yīng)用接觸的過程中，趙勝雷從企業(yè)和市場的實際需求出發(fā)，在獲得良好市場反饋的同時，他也借由行業(yè)的實際情況不斷尋找寬禁帶半導(dǎo)體進一步研究的靶點。帶著這些“一手材料”，趙勝雷以“華山學(xué)者菁英計劃”人才引進形式回到西安電子科技大學(xué)工作，針對相關(guān)產(chǎn)品的關(guān)鍵問題，全面開展產(chǎn)學(xué)研合作。

據(jù)趙勝雷介紹，目前GaN電子器件主要包括兩個應(yīng)用方向：電力電子器件與射頻器件。在電力電子領(lǐng)域，主要關(guān)注擊穿電壓和導(dǎo)通電阻兩個指標(biāo)。GaN器件擊穿電壓遠高于Si器件，同時在相同應(yīng)用電壓下，GaN電力電子器件的特征導(dǎo)通電阻可以降低兩個數(shù)量級。在1000V以內(nèi)的應(yīng)用環(huán)境中，其開關(guān)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(shù)據(jù)中心等應(yīng)用場景，華為、小米等公司已有上百款GaN手機快充產(chǎn)品投入市場，日本方面采用GaN器件逆變器生產(chǎn)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(yīng)用潛力巨大。在解決器件全面指標(biāo)、可靠性、電路應(yīng)用、成本、市場推廣等問題后，GaN電力電子器件有望應(yīng)用于上萬億的電力電子應(yīng)用中。

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

圍繞應(yīng)用需求，趙勝雷先后主持了多項國家自然科學(xué)金面上項目、國家重點研發(fā)計劃、國防科技創(chuàng)新特區(qū)項目子課題等項目，作為技術(shù)骨干參與了國家科技重大專項、國家自然科學(xué)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?qū)C-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(tǒng)雙向開關(guān)電力電子器件+二極管的構(gòu)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(shù)量、縮小芯片體積、有效降低雙向開關(guān)電路的功耗。經(jīng)過對比，趙勝雷選擇了具有更優(yōu)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(dǎo)通電阻的矛盾關(guān)系、肖特基漏開啟電壓與漏電極反向漏電的矛盾關(guān)系、高溫擊穿機理的探索問題等關(guān)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(guān)與矩陣變換器領(lǐng)域有重要的戰(zhàn)略意義和應(yīng)用價值。此外，在國家科技重大專項項目中，趙勝雷創(chuàng)新性地采用了低功函數(shù)W金屬、氧化終端結(jié)構(gòu)等技術(shù)，研制了低開啟、高電場強度的GaN準(zhǔn)垂直SBD器件，相關(guān)科研成果發(fā)表在IEEE EDL、APEX、JPD等國際知名期刊，并被Compound Semiconductor、CSC化合物半導(dǎo)體及寬禁半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟等國內(nèi)外半導(dǎo)體專業(yè)媒體進行專題報道或轉(zhuǎn)載。與此同時，趙勝雷申請與授權(quán)國家發(fā)明專利30項，并榮獲中國研究生創(chuàng)芯大賽一等獎及優(yōu)秀指導(dǎo)教師稱號。

作為少見的擁有高校、研究所、一線企業(yè)研究實踐背景的科研學(xué)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(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了極好的機會。未來，趙勝雷將繼續(xù)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(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域不斷發(fā)力，為我國更低能耗、更優(yōu)性能的半導(dǎo)體器件與芯片發(fā)展不懈奮斗。