2024年 10/11月

ISSN 2789-2735

赋予氧化镓雪崩能力

GaN射频晶体管2.0？

突破功率极限

化合物半导体行业

的未来将会怎样？

生产高质量六方氮化硼

RIBER

EZ-CURVE®

化合物半导

体外延表面

实时监测

原位实时

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• 表面应力和曲率原位测量

• 实时探测

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良率增强

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2 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

目录

Contents

编者话 Editor's Note

04 SiC电力电子器件技术和产业化进展

The Progress of Silicon Carbide Power Devices Technology and Industrialization

- 陆敏

九峰山实验室专栏 JFS Laboratory Column

09 化合物半导体器件典型失效分析

Typical Failure Analysis of Compound Semiconductor Devices

- 刘旭博，王凯，胡轩宇，朱浩，李品欢，宋笠，方明胜，王若兰，肖科，杨冰，丁琪超

关于雅时国际商讯 (ACT International)

雅时国际传媒集团成立于1998年，在高增长的中国市场上为众多高科技领域提供服务。通过其产品系列，包括印刷和数字媒体以及会议和活动，雅时国际

为国际营销公司和本地企业提供了进入中国市场的机会。雅时国际的媒体品牌为电子制造、机器视觉系统、激光/光子学、射频/微波系统设计、洁净室/污

染控制和半导体制造, 化合物半导体, 工业AI等领域的20多万名专业读者和受众提供服务，雅时国际也是一些世界领先的技术出版社和活动组织者的销售代表。雅时国

际的总部设在香港，在北京、上海、深圳和武汉设有分公司。www.actintl.com.hk

封面故事 Cover Story

19 生产高质量六方氮化硼

Producing high-quality hexagonal BN

六方氮化硼（hBN）的生长得益于氮压的“甜点”，这个压力远高于一个大气压，但远低于用于生产钻石的压力。在氮化物器件日益普及

的几十年里，所有半导体技术都在微型化，有些甚至达到了原子尺度。石墨烯、拓扑绝缘体和其他新型材料的发现开辟了一个全新的领

域，即二维电子学。这一新领域促使人们重新发现了硼氮化物（BN），这是III-N化合物家族的一员，对现代电子学有很大的前景。

- BOHDAN SADOVYI, PETRO SADOVYI, SYLWESTER POROWSKI AND IZABELLA GRZEGORY，波兰科学院高压物理研究所；

ANDRII NIKOLENKO ，乌克兰科学院半导体物理研究所

业界动态 Industry

06 总投资超200亿，长飞先进武汉基地主楼全面封顶

Total investment exceeds 20 billion, with the main building of YASC Wuhan base fully topped out.

06 世界先进与汉磊合作共建8吋SiC产线

World Advanced and Hanleigh join forces to build a 8-inch SiC production line.

06 Wolfspeed公布第四财季及2024财年业绩

Wolfspeed reports Q4 and full year results

07 新突破︱镓仁半导体成功研制氧化镓超薄6英寸衬底

New breakthrough | Gallium Ren Semiconductor successfully develops ultra-thin 6-inch gallium oxide

substrates.

08 安森美发布升级版太阳能模块

Onsemi releases upgraded solar power modules

08 长城汽车“第三代半导体模组封测项目”完工

Great Wall Motor's \"Third-Generation Semiconductor Module Packaging and Testing Project\" is

completed.

39 重庆三安项目衬底厂已点亮通线

The substrate factory of Chongqing San'an project has completed the lighting and commissioning of

the production line.

关于《化合物半导体》

《化合物半导体》中国版(CSC)是全球最重要和最权威的杂志Compound Semiconductor的“姐妹”杂志，亦是中国唯一专注于化合物半导体产业的权威杂志，重点介绍国外先进

技术和产业化经验，促进国内产业发展，为国内读者提供化合物半导体行业的专业知识。内容涵盖晶体的特性研究，器件结构的设计，生产中用到的材料、设备、软件、测

量、厂房设施，以及有关市场分析和动态。

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2024年 10/11月

www.compoundsemiconductorchina.net 化合物半导体 2024年 10/11月 3

科技前沿 Research Review

41 推进铟镓砷MOSFET

Advancing the InGaAs MOSFET

42 将铟磷PCSEL的功率推向新高

Taking the power of the InP PCSEL to new highs

43 PCSELs产生绿色发射

PCSELs produce green emission

44 广告索引 Advertisement Index

目录

Contents

宽禁带半导体国家工程研究中心专栏 WBS Column

13 氧化铪基铁电材料及其存储/存算芯片研究

Research on Hafnium Oxide-Based Ferroelectric Materials and Their

Storage and Computing Chips

- 彭悦，武秋霞，张硕，马文轩，孙丽涛，杨守琛，马晓华，郝跃

技术 Technology

24 化合物半导体行业的未来将会怎样？

What does the future hold for the compound semiconductor

industry?

- ALI JAFFAL, TAHA AYARI AND AYMEN GHORBEL，YOLE公司

27 GaN射频晶体管2.0？

GaN RF transistors 2.0?

- Stacia Keller和Umesh Mishra，加州大学圣巴巴拉分校

30 赋予氧化镓雪崩能力

Giving gallium oxide avalanche capability

- Feng Zhou1

，Jiandong Ye1

和Yuhao Zhang2

(1.南京大学，2.弗吉尼亚理工大学)

34 突破功率极限

Pushing the power envelope

- Richard Stevenson，《CS》杂志

2024年 10/11月

张国义教授 北京大学东莞光电研究院常务副院长，中国有色金属学会宽禁带半导体专业委员会常务副主任

王新强教授 北京大学博雅特聘教授，博导

孙 钱博士 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 研究院、博导、副主任

刘红超博士 安徽长飞先进半导体有限公司 首席科学家

李哲洋博士 怀柔实验室 资深技术专家 教授级高工，博导

李顺峰博士 苏州半导体激光创新研究院 执行院长

佟存柱教授 中科院长春光学精密机械与物理研究所 常务副主任/研究

陈明祥教授 华中科技大学/武汉利之达科技 教授/首席专家

周贞宏博士 BelGaN CEO

张昭宇教授 香港中文大学（深圳）理工学院副教授 深圳半导体激光器重点实验室主任

孙海定博士 中国科学技术大学微电子学院 研究员、博导

钮应喜博士 中国科学院半导体研究所，教授级高工

郑中屏博士 台湾工业研究院光电所资深研究员，台湾鹏正光电创建人，佛山照明LED事业部创建人

郑小鹿博士 营口天维半导体制造有限公司创办人，功率半导体材料和器件的行业独立顾问

《化合物半导体》编委会 （排名不分先后）

编者话 | Editor's Note

4 化合物半导体 2024年10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

SiC 电力电子器件的研究从 20 世纪 80 年代就开始了，受限于衬底质量，一直到本世纪

初才产业化。随着制备工艺的不断优化发展，SiC 电力电子器件的性能不断提高，已经在 EV、

PV 逆变器、轨道牵引等领域中得到广泛应用。2023 年全球 SiC 电力电子器件市场 27 亿美元，

2029 年预计将高达 100 亿美元。目前 SiC 电力电子器件的主要制造商有安森美、意法半导体、

英飞凌、罗姆和 wolfspeed 等公司，国内生产厂商主要有芯联集成、士兰微、泰科天润、比亚

迪半导体和积塔半导体等公司。

目前规模化应用的器件主要是 SBD 及 MOSFET。2001 年英飞凌推出第一款商业 SiC 二极

管器件，0.65~1.7kV 的 SBD 较为成熟，能提供超过 100A 电流的单管芯片，满足各种场景的应

用。由于沟槽型 MOSFET 制备工艺复杂，并且由于英飞凌和罗姆在沟槽型 MOSEFT 专利方面

占据绝对优势，导致大部分厂商无法绕开关键专利。因此，平面型 SiC MOSFET 在市场上的

应用更为广泛。Jayarama 团队提出并制备了世界上第一个平面型 SiC MOSFET，但是由于界面

处质量较差，阻断电压为 760 V、比导通电阻为 125 mΩ · cm2

。2010 年罗姆和 wolfspeed 公司

成功实现了 SiC 基 MOSFET 的首次商业化生产，自此也开始了工艺及产品的不断优化和迭代，

目前 1200 V 阻断电压和导通电阻小于 3 mΩ · cm2 的 SiC 基 MOSFET 器件已经商用。在槽

沟 MOSFET 的制造过程中，p- 注入步骤和沟槽形成步骤可以交替进行，沟槽型结构能够消除

JFET 区电阻，沟道迁移率更高，具有更低的导通电阻。1993 年世界上第一个沟槽型 MOSFET

由南卡大学的 J. W.Palmour 团队提出并制备，性能较差，比导通电阻仅为 33 mΩ · cm2

、击

穿电压也仅为 330 V。Cooper 等提出，通过栅极底部加一层 p+ 屏蔽层来起到对栅氧化层的保

护作用，这可以大大地提高 MOSFET 器件的阻断电压，明显改善栅氧化层提前击穿的问题。

Uchida 等提出了电化学刻蚀 V 形沟槽结构的 MOSFET，并在漂移区埋 P 层以屏蔽栅氧化层电

场，该结构具有更小的界面态密度，从而获得了更高的沟道迁移率和更好的可靠性。SiO2/SiC

材料的界面质量差会造成氧化物中电荷堆积和高界面态陷阱密度，这严重限制了 MOSFET 中

沟道的迁移率，氮化是提高迁移率的一种有效方法。除了 SiC/SiO2 界面质量差之外，用于功

率 MOSFET 的 SiO2 的介电常数低，高 k 的栅极电介质材料可显著降低给定栅极电介质厚度下

的电场值，因此总栅极电流密度也降低，SiC MOSFET 中常用的高 k 值介电介质为 Al2O3。

SiC IGBT 器件由于双极载流子存储效应，限制了其在高频开关情况下的应用，但在高压

行业中则极具优势。工业界和学界更偏向于研究 p 沟道的 IGBT，这是由于用于生长外延的 n

型 SiC 衬底的大规模商业化。1999 年 Cree 公司的 Ranbir Singh 制备得到了首个 p 沟道的沟槽

型 SiC IGBT，此器件的击穿电压仅为 85 V，但由于其优异的高温特性（工作温度可高达 350 ℃），

仍然在当时引起了足够的关注。Cree 公司的 Q. Zhang 等率先制备了击穿电压为 10kV 的沟槽型

p 沟道的 SiC IGBT，但在室温条件下导通电阻高达 175 mΩ · cm2

。J. A. Cooper 等制备得到了

击穿电压为 20 kV 的 p 沟道 IGBT。但由于 p 型 SiC 衬底不成熟等问题导致 n 沟道 IGBT 器件

开发严重滞后。M. Avram 等通过引入自对准工艺成功制备了击穿电压为 4 kV 的平面型 n 沟道

IGBT。Wang 等提出了倒置生长工艺，所有的外延层都在 n 型 SiC 衬底上生长，随后再通过抛

光去除，T. Mizushima 等同样采用倒置生长工艺制备得到了击穿电压为 16 kV 的 n 沟道 IGBT，

当加载的栅偏压为 30 V 时其比导通电阻仅为 14 mΩ · cm2

，但基于巨大的外延成本及衬底剥离

成本，此倒置生长工艺无产业化前景。n 沟道 IGBT 器件的市场化期盼 p 型导电衬底的技术突破，

同时涉及少子寿命较短引发的双极退化问题，p 型导电衬底中 BPD 的急需大幅降低。

从技术层面来看，SiC 电力电子器件随着设备和工艺能力的提升，更小的元胞尺寸、更低

的比导通电阻和更低的开关损耗成为技术的主要发展方向。然而，尽管 SiC 器件在许多方面表

现出色，但其在可靠性方面仍存在较多挑战。例如，在高温和高频运行条件下，SiC MOSFET

的阈值电压漂移和体二极管退化问题需要进一步研究和解决。此外，SiC MOSFET 在抗辐射能

力方面也存在不足，尤其是在航天应用中，其抗单粒子效应的能力仍需提高。不过随着制造工

艺的改进和液相法 SiC 长晶技术的突破，通过优化器件结构和封装形式，SiC MOSFET 器件及

系统成本有望进一步降低，SiC MOSFET 的性能和可靠性可以进一步提高，从而推动其在更广

泛的应用场景中的普及。

社长 Publisher

麦协林 Adonis Mak

adonism@actintl.com.hk

荣誉顾问 Honorary advisor

郝跃院士 Academician Hao Yue

主编 Editor in Chief

陆敏 Min Lu

MinL@actintl.com.hk

出版社 Publishing House

雅时国际商讯 ACT International

香港九龙 B,13/F, Por Yen Bldg,

长沙湾青山道478号 478 Castle Peak Road,

百欣大厦 Cheung Sha Wan,

13楼B室 Kowloon, Hong Kong

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SiC 电力电子器件技术和产业化进展

业界动态 | Industry

6 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

据长飞先进官微消息，近日，长飞先进武汉基地主楼已

全面封顶，包括晶圆厂、封测厂、外延厂、宿舍区、综合楼。

10 月开始，长飞先进武汉基地将迎来首批设备搬入的重要

节点，并于明年 6 月实现量产通线。

据悉，长飞先进武汉基地聚焦第三代半导体功率器件

研发与生产，致力于打造一个集芯片设计、制造及先进技术

研发于一体的现代化半导体制造基地。项目总投资预计超过

200 亿元，占地面积约 22.94 万平方米，建筑面积约 30.15

总投资超 200 亿，长飞先进武汉基地主楼全面封顶

万平方米，主要建设内容包括晶圆制造厂房、封装厂房、外

延厂房、动力厂房、成品库、综合办公楼、员工宿舍以及生

产配套用房设施等。

武汉基地是长飞先进发展战略中至关重要的一环。项目

投产后，可年产 36 万片碳化硅晶圆及外延、6100 万个功率

器件模块，广泛应用于新能源汽车、光伏、储能、充电桩等

领域。

大半导体产业网消息，日前，汉磊科技发布公告称，公

司与世界先进集成电路股份有限公司签订策略合作协议，双

方将携手合作，推动化合物半导体 8 英寸 SiC 晶圆的技术研

发与生产制造。相关技术初期由汉磊转移，预计 2026 下半

年开始量产。

同时，世界先进斥资 24.8 亿元新台币（约合人民币 5.5

亿元），认购汉磊 5000 万股私募普通股，取得 13% 股权。

以共同推动具竞争优势的产品制造服务，建立双方的长期策

略合作关系。

世界先进与汉磊合作共建 8 吋 SiC 产线

汉磊科技董事长徐建华表示，汉磊集团旗下的嘉晶电子

与世界先进长期以来是碳化硅外延事业合作伙伴。本次私募

引进世界先进成为策略性股东，透过投资结合将使彼此间策

略合作更趋紧密。汉磊与世界先进的合作将在汉磊现有 6 英

寸晶圆制造技术及客户的基础上，共同合作进行 8 英寸 SiC

技术平台开发及产能布建，以提供全球 IDM 及 Fabless 客户

具有长期竞争力的解决方案。本次策略合作可为世界先进、

汉磊及嘉晶电子三方公司创造新的成长动能与合作综效，并

为客户及股东权益创造更高价值。

Wolfspeed 公布了 2024 财年第四季度及整个 2024 财年

的业绩。

Wolfspeed 公布第四财季及 2024 财年业绩

2024 财年第四季度的综合收入约为 2.01 亿美元，而

2023 财年第四季度约为 2.03 亿美元。莫霍克谷 SiC 晶圆厂

贡献约 4100 万美元的收入 ；功率器件设计入选价值 20 亿美

元 ；季度设计采纳价值 5 亿美元。

GAAP 毛利率为 1%，而 2023 财年第四季度为 29% ；非

GAAP 毛利率为 5%，而 2023 财年第四季度为 31%。GAAP

毛利率和非 GAAP 毛利率包括莫霍克谷新 SiC 晶圆厂 2400

万美元未充分利用成本的影响。

全年财务概要（与 2023 财年相比）显示，2024 财年的

综合收入约为 8.07 亿美元，而 2023 财年约为 7.59 亿美元。

GAAP 毛利率为 10%，而 2023 财年为 32% ；非 GAAP 毛利

率为 13%，而 2023 财年为 35%。

2024 财年的 GAAP 毛利率和非 GAAP 毛利率还包括莫霍

公司计划将器件制造加快转移到200 mm莫霍克谷SiC晶圆厂 克谷新 SiC 晶圆厂约 1.24 亿美元未充分利用成本的影响。

业界动态 | Industry

www.compoundsemiconductorchina.net 化合物半导体 2024年 10/11月 7

MICRO-MECHANICS

ON STRATEGIC MATERIALS

Large stock of Molybdenum

and Tantalum

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(screws, nuts, rings) « Usable in Clean Rooms »

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Standard substrate support (Molybloc)

Dimensions :

• 1 ½ inches

• 2 inches

• 3 inches

Possibilitiy of substrate support with cavity and

washer, on request and according to drawings

• Stock of platens blanks for all types of MBE

from various manufacturers.

• « Usable in clean rooms » Platens and washers

produced according to drawings.

Cleaning and Dégassing

2024 年 8 月，杭州镓仁半导体有限

公司在氧化镓衬底加工技术上取得突破

性进展，成功研制超薄 6 英寸衬底，衬

底厚度小于 200 微米。

氧化镓（β-Ga2O3）具有禁带宽度大、

击穿场强高、Baliga 品质因数大等优势，

在高压、大功率、高效率、小体积电子

器件方面具有巨大的应用潜力，能够极

大地降低器件工作时的电能损耗，有望

成为未来半导体电力电子领域的主力

军。

但是，氧化镓热导率较低，会加重

器件的自热效应，大量热量积累在器件

内部，会导致器件性能退化，使其在高

功率领域的应用受到极大的限制。减薄

衬底厚度，能够使器件产生的热量通过衬底散出，增强器件

的散热能力，提高器件性能。超薄 6 英寸衬底为高性能器件

的制备提供了一种新选择，满足功率器件领域的科研与生产

新突破︱镓仁半导体成功研制氧化镓超薄 6 英寸衬底

需求，促进业内产学研协同合作。

杭州镓仁半导体有限公司主要从

事氧化镓等半导体单晶材料的研发与

生产，已获批国家级科技型中小企业、

浙江省创新型中小企业、浙江省科技

型中小企业和杭州市企业高新技术研

究开发中心，并获批萧山区“5213”

项目 ( 卓越类 )、杭州市萧山区领军型

创新创业项目等多个项目，具有雄厚

的生产研发实力。此外，公司近日还

顺利完成近亿元 Pre-A 轮融资，不仅

为公司的技术研发和市场拓展提供了

强有力的资金支持，也充分展示了资

本市场对公司技术和市场前景的认可。

未来，公司研发团队将继续开展自主

创新工作，逐步突破更低成本、更高质量的氧化镓衬底，推

动氧化镓产业高质量发展，助力“碳中和”、“碳达峰”的发

展目标。

超薄6英寸氧化镓单晶衬底

业界动态 | Industry

8 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

安森美发布采用 F5BP 封装的新一代硅和碳化硅混合功

率集成模块（PIM），适合用于提高大型太阳能组串逆变器

或储能系统（ESS）应用的功率输出。

与前几代产品相比，新模块在同等尺寸下提高了功率密

度和效率，将太阳能逆变器的总系统功率从 300kW 提高到

350kW。

安森美表示，这意味着使用最新一代模块、装机容量为

一千兆瓦（GW）的大型太阳能发电场每小时可节能近两兆

瓦（MW），相当于每年为 700 多户家庭供电。此外，要达

到与上一代产品相同的功率阈值，所需的模块数量更少，因

此可将功率器件的组件成本降低 25% 以上。

安森美电源解决方案事业部工业电源部副总裁 Sravan

Vanaparthy 表示 ：“太阳能是一种依赖阳光的可变能源，我

们需要在提高系统效率、可靠性、先进储能解决方案上不断

进步，以确保全球电网在电力需求高峰期和非高峰期的稳定

性和可靠性。更高效的基础设施能够提高采用率，并确保随

着更多太阳能发电设施建成，能源浪费会有所减少，推动我

们在摆脱化石燃料的道路上不断前进。”

F5BP-PIM 与 1050V FS7 IGBT 和 1200V D3 EliteSiC 二

极管集成在一起，形成了促进高压和大电流功率转换的基

础，同时降低了功率耗散并提高了可靠性。FS7 IGBT 的关

安森美发布升级版太阳能模块

断损耗低，可将开关损耗降低达 8%，而 EliteSiC 二极管的

开关性能卓越，与前几代产品相比，电压闪变（VF）降低

了 15%。

这些 PIM 包含采用 I 型中点钳位（INPC）的逆变器模块，

以及采用飞跨电容拓扑结构的升压模块。这些模块还使用了

优化的电气布局和直接铜键合（DBC）基板，以降低杂散电

感和热阻。铜基板进一步将结到散热片的热阻降低了 9.3%，

确保模块在高运行负载下保持低温。

硅和碳化硅混合解决方案可缩小太阳能发电和储能的尺寸

9 月 20 日消息，日前，“水土保持公示网”公示无锡芯

动半导体科技有限公司《年产 120 万套第三代半导体功率模

块封测项目》水土保持设施验收鉴定书。

文件显示，芯动半导体年产 120 万套第三代半导体功率

模块封测项目已于 2024 年 5 月完成建设，并在同月完成水

长城汽车“第三代半导体模组封测项目”完工

土保持设施验收工作。

据了解，该项目为加工制造类项目，位于锡山经济技术

开发区联福路西、安泰三路南地块，东至联福路，西至思凯

汀（无锡）饲料有限公司、北至安泰三路、南至伟成（无锡）

金属有限公司。项目总投资 8 亿元，用地 27 亩，建筑面积

3.1 万平方米，建设年产 120 万块车规级功率器件模组项目，

产品涵盖功率半导体模块、分立器件等，主要应用于新能源

汽车、新能源绿电、充电桩、储能等领域。项目于 2023 年

2 月开工建设，于 2024 年 2 月完工。

除了建设第三代半导体功率模块封测项目外，芯动半导

体还与业内碳化硅大厂开展了相关业务合作。2023 年 12 月

1 日，芯动半导体与博世汽车电子在上海签署碳化硅长期订

单合作协议。2024 年，3 月 8 日，芯动半导体与意法半导体

在深圳签署碳化硅战略合作协议。

九峰山实验室专栏 | JFS Laboratory Column

www.compoundsemiconductorchina.net 化合物半导体 2024年 10/11月 9

化合物半导体器件典型失效分析

作者 ：刘旭博，王凯，胡轩宇，朱浩，李品欢，宋笠，方明胜，王若兰，肖科，杨冰，丁琪超

1、引言

随着 6G 时代的到来，化合物半导体材料和器件的需求日益增多。厂商迫切希望减少或消除产品

的异常，并在研发、量产工艺以及可靠性测试阶段及时改进和优化产品结构，以迅速占领市场。失效

分析在此过程中扮演了重要的角色，其依据失效模式和现象，结合分析和验证，模拟重现失效现象，

找出失效根因，挖掘失效机理。在提高产品质量，技术开发、改进、产品修复等方面都起到了至关重

要的作用。失效可能发生在产品寿命周期的各个阶段，贯穿半导体原材料、设备、设计、生产、封测、

客户端使用等全产业链的各个环节。通过分析工艺废次品、早期失效、试验失效、中试失效以及现场

失效的样品，确认失效模式、分析失效机理，明确失效原因，最终给出预防对策，减少或避免失效的

再次发生。

2、失效分析流程及常用方法

半导体失效分析通常遵循由外到内，从非破坏性到破坏性的原则逐步展开分析，流程图如下 ；

九峰山实验室专栏 | JFS Laboratory Column

10 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

2.1 无损分析

无损分析是在不损坏工件或原材

料工作状态的前提下，对被检验样品的

表面和内部质量进行检查的一种测试

手段。光学显微镜利用显微镜观察芯

片表面和交叉剖面的细微结构，以识

别绑线脱落、芯片烧毁等物理故障。X

射线显微镜主要用于检测芯片和封装

的品质，观察芯片裂纹、焊料、锡球

孔洞率、封装绑线异常等。超声扫描

显微镜用于检查元器件、材料、晶圆

等样品内部的分层、空洞、裂缝等缺陷。

2.2 样品制备

在芯片分析过程中，需要用到多

种样品制备的方法辅助分析。比如局

部开封露出芯片正面或者晶背，用于

辅助故障定位分析。此外，故障定位后，

需要对芯片逐层剥离或者截面研磨观

察异常区域的形貌。

2.3 故障定位

封装及芯片的故障定位常见的

方 法 有 三 种，Thermal EMMI、EMMI

(InGaAs)、OBIRCH。Thermal EMMI

通过中红外探头侦测样品加电后产生

的热辐射，可进行封装级或芯片的故

障定位，适用于电阻在千欧姆级以下

的短路样品分析。EMMI (InGaAs) 通

过近红外探头捕捉 PN 结中电子和空穴

复合产生的近红外光，适用于结漏电、

热载流子效应、闩锁效应等故障定位。

OBIRCH 的原理为激光诱导电阻变化，激光在扫描至金属线

上时，对金属产生加热作用，金属随温度变化进而电阻发生

变化，从而引起回路中电压电流的变化，适用于半导体集成

电路中后段制程的金属短路、通孔接触异常等故障的定位。

2.4 物性分析

在故障定位和样品制备后，需获取更微观的结构形貌，

使用扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束显微镜（FIB）、

透射电子显微镜（TEM）等设备进一步的观察。

3. 化合物半导体失效分析典型案例

目前市场主流的第二代化合物半导体材料为砷化镓

（GaAs）和磷化铟（InP），广泛用于光通信和光电器件领域。

第三代化合物半导体主流为碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），

碳化硅可制造高耐压、大功率器件如 MOSFET、IGBT、

图2：样品制备

图1：无损分析

图3：故障定位

图4：物性分析

SBD 等，而 GaN 器件主要包括射频器件、功率器件以及光

电器件三类。下面主要以 SiC MOSFET 和 InP 类激光器的失

效案例进行展开分析。

3.1 SiC MOSFET 失效分析

碳化硅功率器件相比硅器件的短路坚固性更差，具体表

现为在同等实验条件下的短路耐受时间更短。在实际应用中，

由于采样电路的精度限制和控制电路的延迟，使得短路保护

动作时间通常在几微秒以上，导致在保护动作之前器件可能

已经发生了短路失效。因此有必要针对 SiC MOSFET 的短路

失效进行深入研究，为芯片工艺优化和可靠性提供关键信息。

SiC MOSFET 若发生短路并造成其失效，则可能出现

两种典型的失效现象 ：栅源极之间短路（G-S 短路）和漏

源极之间短路（D-S 短路）。短路故障通常分为以下 3 类 ：

1）在导通前已处于短路回路中，器件开通即处于短路状态，

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因此该故障类型也叫硬开关故障 ；2）SiC

MOSFET 处在导通状态时，若负载端突然

短路，造成不同桥臂间的两支开关管出现

短路，则将此类故障定义为负载短路故障 ；

3）在电机驱动、变频器等应用领域，SiC

MOSFET 可能运行在第三象限，若此时负

载端发生短路，则开关管的运行状态迅速由

第三象限转向第一象限，器件由低压、逆向

电流的工作状态迅速转变成高电压、大电流的短路状态。

本案例的失效背景是 SiC MOSFET 在电流过载条件下

工作出现的失效。样品接收后，先进行无损分析，第一步进

行外观检查，如图 5 所示，外观未观察到明显异常。然后进

行 IV 电性验证，发现零栅压漏极电流为 ：IDSS = 430 μA @

1200 V，栅极漏电流 ~5 μA @ VGS=2.42 mV，栅极和源漏

极之间呈现短路状态，如图 6 所示。由于该样品铜基板较厚，

X 射线穿透效果不好，X-Ray 分析前需局部开封去除背面的

铜基板（见图 7），以提升 X-Ray 的成像质量。X-Ray 结果并

未发现明显异常（见图 8）。

第二部分进行故障定位， IV 的测试结果表明栅极和源漏

极为短路状态，于是采用 OBIRCH 的定位方式，对栅极和

源极加压进行故障点定位（图 9）。

第三部分进行物性分析。即对故障点进行 FIB 制样和

TEM 观察。可观察到栅极到源级和漏级之间均有严重的烧

图5：OM观察

图6：IV电性验证

图7：局部开封 图8：2D X-Ray 图9：OBIRCH定位

图10：FIB 图11：TEM 图12：失效机理

毁，该位置失效的起始点为栅极的栅氧化层。SiC MOSFET

在短路过程中由于受到栅极电场以及器件结温的共同作用，

使得栅氧层表面的电子隧穿效应以及热电子发射效应增强，

最终达到栅氧层的临界击穿值，致使栅氧层发生击穿。

随着 SiC MOSFET 的应用越来越广泛，其短路失效机

理以及器件可靠性问题的研究将会变得越来越迫切。对于多

种失效机理存在的不确定性与普遍性，仍需做进一步论证，

以探究失效机制背后的根本原因。器件失效与退化机理的分

析将进一步指导器件工艺的优化、短路保护的设计以及可靠

性的多维提升，对器件的寿命而言是十分重要的，也是一直

以来需要关注的焦点和突破点。

3.2 InP 边发射激光器 (EEL) 失效分析

对于激光器失效的退化过程按统计学归纳为三种表现形

式 ：快速退化、突然失效和缓慢退化。可以用在恒定输出光

功率下的激光器驱动电流 - 时间曲线表示三种情况。半导体

激光器退化模式有 ：有源区退化、腔面退化、电极退化和绝

缘层失效。

1）有源区的退化有两种情况，一种是缓慢退化过程中

的均匀退化，另一种是暗线缺陷或暗点缺陷形成引

起的快速退化。这些缺陷是位错网络的形成和不断

扩大导致的。由于有源区发生退化，非辐射复合区

扩大，从而引起量子效率和电流阈值降低。暗线缺

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12 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

的形貌以及失效的原因，从 PV-TEM( 平面 TEM) 图像（图

17）可以观察到异常点的形貌，确认异常的源头后，再对源

头位置进行 XS-TEM( 截面 TEM) 制样观察（图 18），可以

发现该位置量子阱有击穿现象。从该结果可以判定，此失效

是有源区的暗线导致芯片在使用过程中产生的快速退化，从

而引起的功率衰减。

针对有源区的内部问题，目前已有多种改善的方案 ：1）

选取低位错密度的材料作为衬底，防止在激光器制备过程中，

衬底中的穿透位错向有源区内部攀移和生长。2）合理设计

有源区的结构，通过减小有源区的尺寸可以有效地减少缺陷

进入。有源区不进行掺杂或轻掺杂可直接降低本征缺陷的密

度，降低位错滑移几率。3）在制备和封装等工艺中减少对

芯片的应力损伤。4）采用良好的散热装置，减少激光器内

部热应力产生的缺陷。

4. 小结

本文通过介绍化合物半导体典型的失效分析案例，展示

了失效分析的常见手法以及化合物半导体器件的常见失效类

型。对于 SiC 功率器件而言，主要失效模式是栅氧层的缺陷

导致器件在使用过程中出现栅极到源极的击穿。对于 InP 类

激光器，常见失效现象为光功率衰减或者反向漏电流增大，

其本质原因是由于外延膜内部的晶格缺陷导致器件的可靠性

较差，出现早期失效，量子阱区域出现击穿或者元素扩散影

响器件的性能。随着失效案例的不断累积，逐步建立化合物

半导体失效模型数据库，助力化合物半导体产业的快速发展。

九峰山实验室检测中心聚焦于半导体材料和器件的分析

与测试，业务版块涵盖微观分析、失效分析、材料分析、化

学分析、测试及可靠性五个方面，为产业链提供全面的技术

支持。在此基础上，依托检测中心先进的设备和专家团队，

建成了具有九峰山特色的四大技术服务中心 ：球差电镜显微

中心、质谱中心、化合物半导体材料表征中心和超净环境质

量认证中心，为化合物半导体行业快速发展提供强有力的支

持。在失效分析方面，九峰山实验室为解决芯片制造过程中

的失效问题并满足良率提升的需求，聚焦半导体材料和器件

检测分析，结合实验室先进工艺经验，为芯片制造过程中遇

到的问题提供成熟的一站式分析检测解决方案，帮助合作伙

伴加速技术创新。

陷和暗点缺陷可利用透射电子显微镜进行观测。

2）腔面退化分为两种情况 ：腔面灾变光学损伤和化学

腐蚀。在激光器大功率工作下，由于氧化、局部过

热和杂质的存在，表面态复合增多，增加对光的吸收。

腔面对光吸收后会产生电子 - 空穴对，随着电子 - 空

穴对的产生，非辐射复合不断增强，从而使温度不

断升高。温度的升高会使材料带隙减小，端面的电

流密度继续增大，促进光的进一步吸收，从而产生

恶性循环，最终导致灾变光学损伤。而腔面的化学

腐蚀，特别是光化学腐蚀引起腔面被氧化，导致点

缺陷在腔面产生。

3）电极退化发生在金属与半导体材料的交界面。由于

扩散作用，焊料扩散进半导体内部，从而产生缺陷，

引起退化。同时如果芯片材料和焊料的匹配性差，

会导致激光器在焊接或工作时产生温度应力，进而

引起内部缺陷或芯片裂损。

4）端面绝缘层失效的原因是在芯片端面未镀膜或镀膜质

量不好，使焊料沿着端面浸润到芯片的另一极从而引

起短路，导致激光器失效。尤其在大电流注入产生的

高温环境下，焊料易形成晶须，引起 PN 结短路。

本案例的失效背景是激光器芯片使用过程中出现光功率

衰减约 15%。首先，进行无损分析，要对芯片进行外观检查，

包括光学观察（图 13）和扫描电子显微镜观察（图 14），确

认芯片出光口端面无明显异常。

其次使用 Backside EL (EMMI) 进行故障定位。由于样

品固定在陶瓷基板上，故而需要将样品冷埋至树脂中，去除

基板后露出芯片晶背（图 15），才能进行 Backside EL (EMMI)

定位观察（图 16）。

最后，对故障位置进行 FIB+TEM 分析，确认失效位置

图13：OM观察 图14：SEM观察

图15：晶背研磨后OM 图16：Backside EL

图17：PV-TEM 图18：XS-TEM

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摘要 ：面对大数据、人工智能等新一代信息处理技术的发展，计算机数据处理的需求呈爆炸式增长，

芯片的核心数不断增加。经过过去 20 年的发展，这种快速的 CPU 算力与滞后的内存性能之间的矛

盾日益凸显，内存墙问题成为制约系统性能和能效的主要瓶颈之一，缩小存储鸿沟，发展具有存算一

体功能的新型非易失存储器是当前提升算力与能效的必然选择。铁电存储器作为未来发展潜力巨大的

新型存储器技术之一，具有操作速度快、功耗以及操作电压低等优势，此外，铁电材料本身具备很强

的抗辐照能力，因此很适合空间和嵌入式存储器应用，特别是氧化铪基铁电存储器被报道以来，受到

了学术界以及工业界研究学者的高度重视和广泛关注。本论文从高性能氧化铪基铁电材料、铁电器件、

铁电存储 / 存算芯片等三个方面对国内外氧化铪基铁电存储 / 存算芯片的相关研究进展进行了总结。

最后，为了对高性能氧化铪基铁电芯片的发展提供有用的指导，讨论了实现用于高效计算的铁电器件

的关键挑战，并提出了一种超越氧化铪基类铁电存储 / 存算技术。

氧化铪基铁电材料及其存储 /

存算芯片研究

作者 ：彭悦，武秋霞，张硕，马文轩，孙丽涛，杨守琛，马晓华，郝跃

(1. 宽禁带半导体国家工程研究中心，西安 710071 ；2. 西安电子科技大学微电子学院，西安 710071)

引言

铁电存储器是一种利用铁电体的两个极化状

态分别编码“0”和“1”来实现信息存储的半导体

技术。相比于传统的非易失存储器，具有操作速度

快、功耗以及操作电压低等优势，适于嵌入式存储

器应用。此外，铁电材料本身具备超强的抗辐照能

力，天然的适合空间应用。与现有的其他新型非易

失存储器（如 RRAM、MRAM 和 PCM），铁电存

储器最大的优势是其利用电荷存储数据而不是依赖

于阻值的差异，这一特性与当前主流的 DRAM 和

Flash 存储器相似，因此传统的铁电存储器比其他

新型存储器更早的实现了产业化。然而以 PZT 为

代表的传统钙钛矿结构铁电材料由于存在尺寸微

缩有限难以三维集成以及与现有 CMOS 工艺兼容

等问题，因此难以应用于先进工艺节点 (<130 nm)。

2011 年德国 NamLab 实验室研究人员报道了利用

氧化铪（HfO2）高 κ 介质实现铁电功能，又推动了

新一代铁电存储器的发展 [1]。与传统钙钛矿结构铁

电材料相比，HfO2 基铁电材料是一种全新的铁电

材料，具有以下优点 ：1）制备工艺与现有 CMOS

工艺兼容，无毒、无害、绿色环保、成分简单、热

稳定性良好且材料沉积工艺易于控制 ；2）剩余极化

强度（Pr

）大，其掺杂体系的 Pr 值可达到 45 μC/cm2

，

而且矫顽电场（Ec）较大（~1 MV/cm），可实现优

异的保持特性 ；3）制备及刻蚀技术成熟，可实现

三维集成 ；4）可实现非易失三端铁电场效应晶体

管（FeFET），进而实现功能更丰富的电路结构；5）

物理厚度可小于 10 nm，特征尺寸微缩能力强，可

以在先进节点工艺下尽可能的节省芯片面积。与现

有的新型存储器相比（见表 I）[2]。铁电存储器具

有结构简单， 可以获得更大的读取电流和开关态电

流比，具备集成度高、操作速度快、读写能耗低、

保持特性好，是未来最具潜力的新型铁电存储器。

与此同时，世界著名存储器专家 Houdt 认为，相比

于已量产的 RRAM、MRAM 和 PCM 等新型存储

技术，氧化铪基铁电存储器在高密度集成、集成工

艺成本等方面具有较大的优势，是未来最有潜力的

新型存储器。然而新型氧化铪基铁电存储器还存在

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14 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

机理不明确，疲劳耐久性有限，低温沉积技术等问题，尚需

要进一步的科学研究和技术突破才能实现应用。

高性能氧化铪基铁电材料研究进展

自 2011 年，HfO2 基铁电材料被报道以来，开启了铁电

存储器研究的新时代。通过对 HfO2 高 k 介质掺杂，实现铁

电特性，进而实现铁电存储。在众多的掺杂元素中，Zr 掺

杂 HfO2 铁电材料是研究最多的，归因于其可以在较大的掺

杂范围内（30%-70%）均可以实现优异的铁电特性，且制备

温度（200 oC ~300o

C）和退火温度（可降至 400o

C 以下）都

比较低 [3]。随着研究的深入，研究人员发现 HfO2 基铁电材

料的铁电特性受到多重因素的影响，涉及材料厚度、掺杂浓

度、界面缺陷等，此外其由于薄膜较薄，产生的退极化场导

致了铁电相的不稳定，从而产生了唤醒、印记、疲劳耐久性

eSRAM eDRAM FG Flash Re RAM MRAM PCM Fe RAM FeFET

Cell structure 6T 1T-1C 1.5T 1T-1R 1T-1R 1T-1R 1T-1C 1T

Integration node 7 nm

FinFET

22 nm

FinFET 40 nm 22 nm

FinFET

22 nm

FinFET 40 nm 130 nm 22 nm

Cell size 120~150F2 40F2 50F2 60F2 50F2 60F2 50F2 20~30F2

Energy/bit ~1fJ ~1pJ 100pJ >10pJ >10pJ 100 pJ ~1pJ ~1fJ

Latency <1ns >10ns 0.1~1ms <100ns >10ns <100ns >10ns ~1ns

Endurance 1016 1016 104

~105 105

~107 106

~107 105

~107 >1014 105

~109

Retention Volatile Refresh 10yrs 10yrs 10yrs 10yrs 10yrs 10yrs

表I 各类存储器性能比较

图1：HZO厚度分别为6nm、10nm和20nm的极化反转特性测试结果

有限等非理想特性。针对这些关键科学问题，国内包括复旦

大学、北京大学、西安电子科技大学、中国科学院微电子所、

上海交通大学等纷纷开展研究。2021 年国立台湾大学系统

研究了从 10 nm 到 3 nm 的 HZO 薄膜的铁电特性。研究发

现在 6 nm 的 HZO 薄膜中，剩余极化 Pr 为 24.8 μC cm-2，但

随着厚度减小，剩余极化值也随之减小，在 3 nm HZO 薄膜

中 Pr 仅有 10.8 μC cm-2 [4]。韩国首尔大学研究了薄膜厚度和

唤醒场循环对厚度小于 8 nm 的 HZO 薄膜铁电性的影响。原

始状态下，随着膜厚的减小，膜的反铁电性增强，而唤醒过

程后，所有的 HZO 膜均呈现铁电特性，但矫顽电场 Ec 仍随

膜厚的减小而降低 [5]。

西安电子科技大学基于非均匀场机制模型对材料厚度分

别为 6nm、10nm 和 20nm 的 HZO 铁电材料的开关动力学进

行了实验研究，探索厚度缩放对铁电薄膜极化开关速度的影

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响规律。测试结果如图 1 所示，随着厚度的增加，HZO 薄

膜的剩余极化值先逐渐增大，在 10nm 时达到最大极化值，

而后逐渐降低，但其极化反转速度则随着材料厚度从 6nm

增加到 20nm 时，从 0.78 μs 下降到 0.29 μs

[6]。此外，西安电

子科技大学还系统研究了 HZO 薄膜厚度变化对 HZO 铁电材

料经时击穿（TDDB）耐受能力的

影响规律。测试结果如图 2 所示，

研究表明减小 HZO 铁电薄膜的厚

度导致 TDDB 耐受能力的改善，

这归因于较薄的 HZO 铁电薄膜中

较高密度的氧空位可以有效地抑

制新的氧空位的产生，从而有效

地改善了 TDDB 特性 [7]。

除了探究尺寸微缩带来的

HfO2 基铁电薄膜铁电特性的影响

规律以外，提升其疲劳耐久特性

也是推动 HfO2 基铁电存储器产业

化应用的重要研究课题。俄罗斯

莫 斯科物理技术研究所大学研究

人员通过在 HZO 材料中引入 La

元素，可以提升其疲劳耐久特性

（>1011 次）[8]。西安电子科技大学研究人员制备并实现了一

种 HfO2 − ZrO2 超晶格结构铁电材料，通过球差测试，验证

了其超晶格的结构，并通过一系列的测试表征，证明了其于

传统合金结构的 HZO 类似，铁电特性均源于形成了 Pcab21

空间集群的正交相（见图 3）。这种新型的 HfO2 − ZrO2 超晶

图2：HZO厚度分别为6nm、10nm和20nm的TDDB测试结果

图3：HfO2-ZrO2超晶格铁电材料与传统合金结构HZO的球差测试结果以及GIXRD测试结果

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16 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

图4：HfO2-ZrO2超晶格铁电材料与传统合金结构HZO的疲劳耐久特性测试结果

图5：HfO2-ZrO2超晶格与传统合金结构HZO FeFET存储特性以及疲劳耐久特性测试结果

格结构铁电材料，可以有效的抑制其

薄膜内部缺陷的产生和移动，从而实

现更长的疲劳擦写循环。经测试，这

种超晶格铁电薄膜在无恢复操作下，

可实现超过 1012 的疲劳特性（见图 4）[9]。

高性能氧化铪基铁电器件研究进展

FeFET 除了具备非易失性数据存

储、纳秒量级的读写速度、低的工作

电压以外，还具有低功耗、无损读出

和紧凑的单晶体管结构且无需任何额

外的选址器件，存储密度高。美国格

罗方德公司首先采用标准的 28nm 高 κ

介质金属栅工艺 (HKMG) 制备出了 64

kbit 的基于 HfO2 基铁电薄膜的 FeFET，

可是实现在 105o

C 下保持性能达到 10

年 [10] ；随后格罗方德的 Dünkel 等人在

22 nm 的 FDSOI 工艺平台上实现了 32

MBit 的存储阵列制备，且通过存储器

测试系统验证了可靠的数据快速擦写

[11]。西安电子科技大学在前期提出的

HfO2 − ZrO2 超晶格铁电材料的基础上，

实现了 HfO2 − ZrO2 超晶格 FeFET 器

件（见图 5），其在经过 1010 次的擦写

循环后，仍然可以实现超过 500mV 的

存储窗口 [12]。

高性能氧化铪基铁电存储 / 存算芯片

研究进展

新型氧化铪基铁电存储器具有

低功耗、纳秒级读写速度、高可靠性

等优势，被学术界和产业界认为是下

一代嵌入式非易失性存储器技术的潜

在解决方案。目前主流的铁电存储结

构主要分为铁电随机存取存储器（FeRAM）和铁电场效应晶体管 (FeFET)。

与 FeRAM 相 比，FeFET 具有单晶体

管结构，易于实现高集成度，适用于

存算一体和神经形态的计算等新兴先

进领域，但受界面层电荷捕获的影响，

面临耐久特性有限的问题，以及工作

电压高的问题。FeRAM 采用与主流

DRAM 一致的结构，主要分为 1T-1C,

2T-2C 结构，更高的工艺成熟度使其接

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图6：HZO FRAM测试芯片的局部视图

图7：FRAM读取“0”和“1”的VBL分布及阵列级疲劳测试结果

图8：混合D-FRAM阵列架构示意图及其在DRAM工作模式下的读取速度和擦写耐

久特性测试结果

近产业化。然而，受单元尺寸和制造工艺的限制，存储密度

相对较低；另一方面受高矫顽场的限制，耐久性也有待提高。

针对工作电压高和电容面积缩放的问题，2019 年法国

格勒诺布尔阿尔卑斯大学首次在 130 nm 节点 BEOL 16kbit

1T-1C 阵列中实现直径 300 nm 的 HZO 电容器的集成，展示

了铁电电容的可扩展性 [13]。其中电容单元具有剩余极化

2Pr ＞ 40µC/cm²，耐久性＞ 1011 个周期，开关速度＜ 100 ns，

工作电压＜ 4 V，数据保持在 125o

C 的优异的性能，以及小

于 10 fJ/bit 超低功耗。2021 年，索尼半导体解决方案公司实

现了一种适用于系统级芯片（ SoC）应用的位线下电容（CUB）

结构 HfO2 基 64 kbit 1T1C FeRAM 存储器阵列。其中单元电

容的耐久性大于 1011 循环，对于 0.4 µm2 的电容器面积，首

次获得了完美的产量和 0.41 V 以上的大存储窗口 [14]。在阵

列操作期间，在 8ns 的写入操作速度下，观察到 2.5V 的低

电压下具有优异的操作性能。通过优化铁电材料性能和存储

器架构，氧化铪基铁电存储器的存储密度得到了显著提升。

与同一技术节点的 DRAM 相比，FeRAM 的堆叠高度大大降

低了。2023 年美光科技公司首个实现了高存储密度，高性

能的 32 Gb 双层 3D 堆叠 NVDRAM，该芯片结合了铁电存

储器的高耐久性和非易失特性实现了与 DRAM 相似的读 /

写延迟和高于 1015 的耐久性，以及超越 NAND 的数据保持

性能 [15]。西安电子科技大学也在国内率先基于 130 nm 工艺

节点、后道集成技术实现了存储容量为 16 kbit 的 HZO 铁电

存储阵列，其阵列结构如图 6 所示。此外，该存储阵列级写“0”

读“0”、写“1”读“1”的耐久特性超过 109 次（见图 7）[16]。

此外，为了减少访问嵌入式 DRAM（eDRAM）时的能耗与

延时，西安电子科技大学基于 HZO FRAM 提出了一种可以

兼顾DRAM和FRAM的混合模混合存储阵列D-FRAM架构，

如图 8 所示 [17]。混合的硬件架构设计可以在易失性 eDRAM

模式和非易失性 FRAM 模式下自由切换和数据传输，不仅

实现了 NVM 和 DRAM 的优点同时实现在一个阵列中 NVM

和 DRAM 之间的数据移动，有利于低延迟和低功耗，测试

结果展现了工作电压 < 2 V 和耐久性 > 1014 次循环的高性能。

总结及展望

氧化铪基铁电存储 / 存算芯片面向未来嵌入式 DRAM

以及高可靠性非易失存储应用领域具有巨大发展潜力，对于

人工智能等新一代信息技术的发展具有推动作用。为了早日

实现其产业化应用，目前产业界和学术界共同需要解决的关

键科学问题主要包括：1）氧化铪基铁电材料的铁电物理本质、

铁电亚稳相的稳定性、界面问题、临界存储尺寸、调控机理；2）

氧化铪基铁电存储器件的复杂界面诱导的有限耐久特性以及

唤醒、印记效应 ；3）氧化铪基铁电的热预算、大规模集成

与可制造技术探索。

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18 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

扩展阅读

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[8] M. G. Kozodaev, A. G. Chernikova, E. V. Korostylev, M. H. Park, R. R. Khakimov, C. S. Hwang, and A. M. Markeev, “Mitigating

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[9] Y. Peng, W. Xiao, Y. Liu, C. Jin, X. Deng, Y. Zhang, F. Liu, Y. Zheng, Y. Cheng, B. Chen, X. Yu, Y. Hao, and G. Han, “HfO2-ZrO2

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六方氮化硼（hBN）的生长得益于氮压的“甜点”，这个压力远高于一个大气压，

但远低于用于生产钻石的压力。

作者 ：BOHDAN SADOVYI, PETRO SADOVYI, SYLWESTER POROWSKI AND IZABELLA GRZEGORY，

波兰科学院高压物理研究所 ； ANDRII NIKOLENKO，乌克兰科学院半导体物理研究所

生产高质量六方氮化硼

了一个全新的领域，即二维电子学。这一新领域

促使人们重新发现了硼氮化物（BN），这是 III-N

化合物家族的一员，对现代电子学有很大的前景。

在众多的 BN 晶体形态中，六方结构因其在

电子应用中的潜力而特别受到关注。这种形态，

被称为 hBN，已经得到了广泛的应用和认可。它

被用作坩埚材料，在烧结陶瓷中因其高热和化学

稳定性而受益，并且由于其层状结构而作为固体

润滑剂。

现在新的机遇正在出现，hBN 正在被研究作

为 2D 电子学和量子技术的潜在平台。

自从 20 世纪 90 年代末以来，氮化物在化合

物半导体领域的地位日益提高。它们作为

高效发光二极管（LED）的基础而声名鹊起，现

在这些 LED 已经照亮了我们的家庭、办公室和社

区。但这并不是故事的结束，而是开始。除了作

为一种革命性的光源，无论是 LED 还是激光器，

氮化物器件在功率电子学和射频（RF）行业中的

作用越来越大。

在氮化物器件日益普及的几十年里，所有半

导体技术都在微型化，有些甚至达到了原子尺度。

石墨烯、拓扑绝缘体和其他新型材料的发现开辟

www.compoundsemiconductorchina.net 化合物半导体 2024年 10/11月 19

封面故事 | Cover Story – 氮化硼

结晶考量

像碳一样，BN 在不同的压力 - 温度条件下

形成具有不同原子配置的晶体结构。在相对较低

的压力下，BN 在其六方石墨状结构中是热力学

稳定的。这种形态的特点是单原子层以蜂窝图案

强烈结合，类似于石墨烯，并通过弱范德华力相

互结合。然而，尽管石墨烯和六方 BN 在晶体形

态上相似，它们在电导率上有所不同，hBN 表现

为一种强绝缘晶体。

这种强绝缘特性是可以预期的，因为 hBN 具

有难以置信的 6 eV 的宽带隙。在单层 hBN 中，

这个带隙是直接的，但随着层数的增加，它变成

了间接的。令人惊讶的是，不管这种材料是直接

带隙还是间接带隙，由 hBN 产生的紫外线光发

射都非常有效。可以利用 hBN 的绝缘特性。在

其二维形态中制备非常薄的结构——可能只有一

个单原子层——hBN 可以作为基于石墨烯和其他

2D 异质结构的器件中的优秀绝缘体或隧穿介电势

垒。在这些器件中，令人难以置信的薄层 hBN 可

以提高性能。

由于材料中的缺陷，hBN 带来了额外的机会。

这些缺陷通常被视为化合物半导体中的麻烦，但

它们能够产生非常有趣的物理效应，提供单光子

发射器，或承载具有长相干时间的量子自旋态的

中心。这些系统是量子技术的基石。

单晶六方 BN

对于基础研究和新应用的追求来说，生产高

质量的单晶 hBN 至关重要，因为这关系到揭示其

迷人特性，以及评估理论模型的可预测性。如果

没有高质量的 hBN 单晶，性能将被非故意的缺陷、

杂质或应变所干扰，如单晶外延层沉积在异质衬

底上。

不幸的是，生长晶体 hBN 并不容易。由于其

熔点超过 3000℃，hBN 与硅和砷化镓不同，不能

从其化学计量的熔体中生长。由于这一限制，出

现了两种领先的 hBN 结晶方法。其中之一，由日

本 NIMS 的 Takashi Taniguchi 及其同事开发，涉及

5 GPa 或更高的压力和含有钡、镁和镍等的金属溶

液。另一种方法——由NIMS的Yoichi Kubota提出，

并由堪萨斯州立大学的 James Edgar 开发——是基

于在含有硼的熔融过渡金属合金表面生长，并通

入常压氮气流。对于这两种方法，晶体被限制在

大约 1 毫米大小的范围内——尽管这对于基础研

究的参考材料来说是足够的。另一个问题是在常

压 N2 下生长的 hBN 晶体厚度非常薄。

人们还努力通过化学气相沉积（CVD）和分

子束外延（MBE）在异质衬底上生长 hBN 的薄膜。

使用纯镍作为溶剂获得

的氮化硼片。

图1：一个内径为60毫米的高压气体反应器。(a) 可承受高达1.5 GPa压力的高压室。(b) 置于氧化铝绝缘管上的石墨加热器。(c) 带有沿壁设有热电偶的坩埚的高压塞。

(d) 用于氮化镓晶体生长的高氮压溶液生长方法的示意图（右侧插入了真实的氮化镓单晶照片）。

20 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

封面故事 | Cover Story – 氮化硼

常用衬底选择是高度定向的石墨，它具有相似的结

构——它为生长高质量的 hBN 层提供了基础。

显然，hBN 的结晶存在挑战。这促使我们团

队——波兰科学院高压物理研究所和乌克兰国家科

学院半导体物理研究所之间的合作——开发了一种

新的生长这种令人兴奋的宽带隙半导体的方法。

氮压——为什么？

与 GaN 和 InN 形成鲜明对比的是，hBN 不

需要高氮压来抑制其在高温下的分解。因此，这

种材料可以在常压氮气下从高温溶液中结晶。然

而，这种方法并不简单，因为氮在 hBN 生长溶

液的金属中的溶解度非常低。根据日本 NIMS 的

Yoichi Kubota 及其同事的一篇论文，在 1550℃下，

纯镍中氮的溶解度低至 0.0012 重量百分比。

幸运的是，通过相对较小的氮压增加，这种

情况可以得到改善。最近，我们已经展示了通过

压缩增加氮气的自由能，可以显著提高铁中氮的

溶解度。在大气压力和 1450℃下，纯铁中只能溶

解 0.5 原子百分比的氮。将氮压增加到 1 GPa——

大约是 10000 个大气压——可以溶解的氮的比例

增加了 20 倍以上。

对于使用常压氮气的高温方法，氮在基本

溶液中的溶解度，例如在镍和铁中溶解形成的溶

液，随着添加剂的增加而增加，这些添加剂对氮

有很强的亲和力。例如，如果用 Ni-Cr 共晶合金

代替纯镍，氮的溶解度增加了 40 倍。然而，这些

添加剂是化学活性的，这使得 hBN 的生长变得复

杂。为了避免这种情况，我们专注于高 N2 压力

方法来生长 hBN 晶体。我们的期望是，通过控制

增加氮在熔融金属中的溶解度，我们将增强在表

面结晶情况下 hBN 在 c 方向的生长，并能够生产

出更厚的晶体。我们的最终目标是建立一种新的

方法，与在金属表面结晶 hBN 形成对比，晶体将

在溶液体积中生长。这反映了我们为生产高质量

单晶 GaN 而开发的技术，其尺寸超过 1 厘米（见

图 1（d））。这种方法背后的驱动力是使用温度梯

度，它允许在恒定温度下控制结晶，在进料 - 籽

晶配置中。我们在波兰科学院高压物理研究所的

部门在开发可以高度精确监控的晶体生长反应器

方面享有国际声誉（见图 1）。这些反应器能够容

纳高达 1-2 GPa 的气体压力，超过 1500℃的温度，

以及相对较大体积，内径为 30 毫米至 100 毫米。

一组热电偶监控这些反应器内的温度，允许精确

控制温度、温度梯度及其随时间的变化。这种控

制水平是建立热力学性质的关键，为生长第一批

高质量 GaN 晶体奠定了基础，这是三十年前的事

了。这些经过广泛表征的 GaN 晶体已被用于同质

外延，从而开启了 GaN 技术这一重要领域。

初步实验

我们开始研究 hBN 的生长，采用了由 James

图2：氮化硼生长过程。

图3：使用Ni-Cr（镍铬）溶液进行hBN（六方氮化硼）晶体生长的

结果，在0.1 GPa的N2压力下，有温度梯度：(a) Ni-Cr-B-N锭的横截

面：底部可见CrN晶体；(b) 锭的上部的总体视图：顶部出现一个大

的金属滴（一个非常可重复的结果）；(c) 滴上覆盖着透明的hBN

晶体；(d) 从金属表面剥离的自支撑hBN晶体。

www.compoundsemiconductorchina.net 化合物半导体 2024年 10/11月 21

封面故事 | Cover Story – 氮化硼

Edgar 开创的大气压力、高温方法。这种方法涉

及在 1450℃的氩气氛围中形成均质的 Ni-Cr 共晶

混合物。我们迅速在这项工作上增加了一些硼，

用 0.1 GPa 的氮气压力代替氩气，并加热这个系

统到 1450℃以驱动硼在 Ni-Cr 熔体中的溶解。我

们建立了一个温度差，从金属锭底部的 1390℃变

化到顶部的 1450℃，并维持这个条件 50 小时（见

图 2，显示了结晶阶段的坩埚图示）。

这些条件导致了关于生长高质量 hBN 非常

令人鼓舞的结果。然而，解释坩埚中发生的事情

并不容易。我们观察到 ：在坩埚底部有效生长的

CrN 晶体（见图 3（a））；在锭顶部，一个大的铬

耗尽的液滴，含有镍、铬、硼和氮（见图 3（b））；

液滴表面完全覆盖着无色、透明的晶体，被鉴定

为纯 hBN（见图 3（c）和图 3（d））。我们第一

批覆盖金属液滴的晶体是完全透明、无色的，并

具有镜面般的表面。根据能量色散 X 射线光谱和

X 射线衍射，我们形成的 hBN 是单相的，c 晶格

参数为 6.652 Å。如图 3（d）所示的剥离的 hBN 片，

尺寸达到了几毫米到几十毫米 ²。这些片材具有

50 微米到 200 微米之间的区域，边界线很好地沿

着六方蜂窝晶格的方向排列。

使用光学显微镜检查生长过程中邻近金属液

滴的 hBN 片的 c 平面表面，揭示了螺旋和二维生

长岛，这些通常被边界线相交，可能是过度生长

的裂纹（见图 4）。这些发现表明，在过程的某些

阶段，晶体作为一个整体生长，然后由于几何原

因，如金属液滴的固化而开裂。

这种特定的生长形态的一个含义是，hBN 在

c 平面上的结晶可能从溶液内部开始。请注意，

这一发现与 hBN 表面结晶的常见解释形成对比，

后者只涉及在气相中氮的恒定可用性下的侧向生

长。我们对此感到鼓舞，因为它提供了一个机会，

通过增加生长溶液中氮的溶解度来生长更厚的

hBN 片。

我们已经使用微拉曼光谱评估了我们第一批

hBN 晶体的结构质量，在 hBN 片的几个点进行

了测量。总的来说，这些光谱根据通常接受的标

准确认了我们的晶体非常高的质量。特别是，强

而窄的 E2g 拉曼线，半高宽低于 8 cm-1，证明了

我们的 hBN 晶体的高完美性和均匀性（见图 5）。

只有通过使用纯硼和氮进行结晶，才能获得更窄

的峰，这是 Edgar 及其同事采用的方法。

下一步研发

我们的初步发现表明，在 0.1 GPa 的 N2 压力

和从 1390℃到 1450℃的温度范围内，添加铬显著

破坏了 Ni-Cr-B-N 生长系统。我们已经能够观察

到 CrN 晶体在温度梯度中的优异生长，hBN 晶体

仅在金属表面形成。这促使我们开始了一套新的

实验，涉及从系统中去除铬，用高压下的 N2 代替。

这种变化提供了一个有效的氮源，可以溶解在熔

融镍或其他选定的溶剂中。

使用这种方法，我们研究了在相对较低的压

力 0.1 GPa 和缓慢冷却阶段下 hBN 的生长，在

1450℃ - 1350℃的温度范围内。这些条件导致与

图5：hBN的微拉曼光谱。 我们之前的 Ni-Cr 工作类似的表面结晶。同样，

图4：在0.1 GPa N2压力和1450℃下从Ni-Cr溶液生长的hBN晶体。生长丘在中心部分可见，证明

生长也发生在c轴方向。

22 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

封面故事 | Cover Story – 氮化硼

透明和无色的片材从金属表面剥离。我们发现，

个别晶体 hBN 区域的尺寸根据添加到溶液中的硼

的初始浓度而变化。这些区域可以小至 25 微米和

50-100 微米，分别为 4 重量百分比和 2 重量百分

比的硼。

我们可以从这项工作中得出结论，金属表面

上可能增强了 hBN 的成核，这对于通过这种方法

生长大的 hBN 晶体是不利的。类似于在大气压力

和高温下的生长，建立 BN- 溶剂系统（液相线）

进一步阅读 / 参考文献

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laser diode arrays” Series on Semiconductor Science and Technology, III-Nitride Semiconductors and their

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的平衡条件至关重要。这样做确保了通过缓慢冷

却或应用温度梯度适当开始过饱和阶段。

我们的初步实验确定，由高压引起的增强氮

溶解度本身并不能获得更厚的 hBN 晶体。我们还

发现，开发一种在结晶过程中向溶液体积供应氮

的方法是必不可少的。这代表了我们正在进行的

研究的后续阶段之一，专注于开发一种更有效的

hBN 结晶方法，这无疑是一种重要且引人入胜的

材料。

www.compoundsemiconductorchina.net 化合物半导体 2024年 10/11月 23

封面故事 | Cover Story – 氮化硼

24 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

化合物半导体行业目前正处于蓬勃发展中，

它与基于硅的半导体一起，成为了一个重

要的产业。化合物半导体不仅性能优越，还带来

了硅无法实现的新功能，比如发光。这些半导体

在功率电子、射频（RF）、光子学和 micro-LED

显示器件中越来越受欢迎。在功率应用领域，碳

化硅和氮化镓器件的销售占主导地位 ；在射频应

用中，砷化镓和氮化镓器件领先 ；在光子学领域，

磷化铟和砷化镓是主要的材料系统 ；在 LED/ 显

示器应用中，砷化镓和蓝宝石是关键的衬底材料。

化合物半导体行业已经建立了完整的生态

系统，包括晶体生长、晶圆制造、前端制造、测

试和封装等专用设备。根据我们公司——Yole

Group 最近的市场研究，2023 年至 2029 年间，

化合物半导体衬底的价值将以 17% 的复合年增

长率增长，达到 33 亿美元。这一增长的支撑是

关键设施的扩张，这些设施正在支持向更大尺寸

衬底的过渡。SiC 和硅基氮化镓正在向 200 毫米

晶圆过渡，这一变化是由汽车和消费市场功率电

子的增长所驱动的 ；在光子学领域，使用 150 毫

米 InP 晶圆的数量正在增加，这一趋势是由数据

中心市场推动的 ；在 micro-LED 显示器市场中，

200 毫米 GaAs 和蓝宝石的使用正在增加。然而，

后者受到了苹果公司的严重打击，苹果公司在今

年早些时候关闭了其 micro-LED 项目，此前它曾

与 ams-Osram 是推动 200 毫米蓝宝石衬底的主要

参与者。

深入研究衬底市场，包括 Coherent、Wolfspeed、SK Siltron、SICC 和 TankeBlue 在内的一些

SiC 衬底制造商正在积极开发 200 毫米尺寸，首

批批量发货从去年年底开始。中国的 SiC 衬底供

应正在迅速增长，并正在与美国激烈竞争。

对于功率应用的硅基氮化镓，在过去 2-3 年

中，200 毫米晶圆的量产已经启动，这是中国大

型公司 Innoscience 采用的尺寸。所有最近的投资

和产能扩张都集中在这个平台上，包括 Infineon

在 Villach 和 Kulim 的 GaN 代工厂。

在 InP 方面，主流衬底尺寸仍然是 75 毫米。

然而，市场领导者如 Sumitomo Electric 和 AXT

有能力生产高质量的 150 毫米 InP 衬底，并且今

年他们正在为研发目的运送大量晶圆。预计未来

几年将销售更多的晶圆。

关于 GaAs，150 毫米衬底继续在光子学和射

频应用中占主导地位。在这里，市场由 Sumitomo

Electric 和 Freiberger 主导。

除了高质量的衬底，理想的器件还需要高质

量的外延。这给芯片制造商留下了两种选择——

采用内部外延的自给自足方法 ；或者采用“开放”

方 法， 利 用 IQE、Landmark、VPEC、IntelliEPI

和 Sumitomo Chemical 等公司提供的外延服务。

我们估计，从 2023 年到 2029 年，开放外延晶圆

市场将以 19% 的复合年增长率增长，达到 25 亿

美元。SiC 开放外延晶圆市场的销售已经在飙升，

到 2029 年将占到该总数的 64%。

预计所有主要类型的化合物半导体器件的增长，部分原因是对数据的需求增加、人工智能的采用、

卫星通信机会的增加以及电动汽车销量的增长。

ALI JAFFAL, TAHA AYARI AND AYMEN GHORBEL，YOLE 公司

化合物半导体行业的未来将会怎样？

技术 | Technology – 化合物半导体

www.compoundsemiconductorchina.net 化合物半导体 2024年 10/11月 25

电动汽车（EV）和快速充电器正在获得增长

自 2017-2018 年以来，SiC 和 GaN 器件的销

售已经经历了快速增长。特斯拉在其逆变器中采

用 SiC，这一举措标志着 EV 市场的显著变革。

在这里，SiC 在 800V 快速充电中发挥着关键作

用，显著减少了完成这项任务所需的时间。今天，

像比亚迪的汉和现代的 Ioniq 5 这样的高容量 EV

正在使用 SiC 技术。向汽车制造商的销售使像

STMicroelectronics、onsemi、Infineon、Wolfspeed

和 Rohm 这样的领先器件制造商的收入增加。这

些高容量 SiC 功率器件生产的先驱在 2023 年实现

了创纪录的收入，并且有望在 2024-2025 年实现

这些产品的销售收入达到 10 亿美元。我们预测，

到 2029 年，SiC 器件的总市场将超过 96 亿美元，

推动收入增长的不仅仅是 EV 市场——销售增长

还将来自工业、能源和铁路应用。支持这一显著

增长的收入是产能扩张、业务整合和创新的商业

模式。

与此同时，在功率 GaN 市场中，增长的主要

驱动力仍然是消费应用。最近的趋势包括容量高

达 300W 的充电器，以及为家用电器提供更高效

率和紧凑性的电源和电机驱动器。我们预见到另

外两个推动功率 GaN 增长的催化剂 ：汽车和数据

中心应用。由于这些贡献，功率 GaN 市场将被推

进到 2029 年的超过 22.5 亿美元。

RF 演进

在射频领域，GaAs 技术是智能手机中已成

熟构建的射频前端模块，并且在汽车应用中显示

出增长机会。射频的另一个关键材料是碳化硅基

氮化镓。在过去的二十年中，这一直被用来为国

防和航天应用开发功率放大器，美国政府对此给

予了大力支持。随着 5G 的到来，新的宏基站正

在采用 GaN 技术，取代现有的硅 LDMOS，这一

举措使得在更高频率下实现更复杂的架构，效率

更高。射频 GaN 技术也在扩展到卫星通信和射频

能源市场。根据我们最近的分析，2023 年到 2029

年，总射频 GaN 器件市场将从 11 亿美元增长到

20.7 亿美元。

近年来引起人们兴趣的射频器件的另一种材

料系统是硅基氮化镓。去年，Infineon 推出了一

款在 200 毫米晶圆上处理的 GaN 功率放大器模

块，进入电信基础设施市场，直接与 GaN-on-SiC

技术竞争。随着硅基氮化镓的潜力扩大到 300 毫

米，它可能会提供性能和成本优势，与 6G PAs 的

GaAs 技术竞争。其他探索射频 GaN-on-silicon 技

术的公司包括 UMC、STMicroelectronics、GlobalFoundries、Sony 和 Finwave。随着这些新进入者投

资于功率 GaN-on-silicon，他们能够使用 200 毫米

设施进入射频应用，而无需进行风险投资。

150 毫米射频 GaN-on-silicon 技术的先驱是

美国芯片制造商 Macom。这家美国芯片制造商在

过去十年中为军事战术无线电赢得了设计胜利。

去年，Macom 通过收购 Ommic SAS 进入卫星通

信领域，并收购了 Wolfspeed 的射频业务，增强

了其 GaN-on-SiC 产品组合。这些收购使 Macom

成为当今四大射频 GaN 器件制造商之一。

AI 推动光子学增长

化合物半导体行业的其他主要应用是基于光

子学的。这里的一个重要市场是用于智能手机 3D

传感的 GaAs VCSEL。这一应用始于 2017 年的

苹果公司，随后是华为和小米等 Android 制造商。

尽管美中制裁放缓了采用速度，但 GaAs VCSELs

在 3D 传感方面的重新采用已经恢复，中国的原

始设备制造商如华为，这次在其 Mate 60 Pro 型

号中使用了这项技术。这让人怀疑我们是否会看

到更多的中国原始设备制造商在消费市场中采用

GaAs VCSELs——以及这些芯片制造商是否能够

满足低端智能手机的成本目标。毫无疑问的是，

GaAs VCSEL 供应在中国正在增长，包括 Vertilite、Everbright photonics、RaySea 和 QM lasers 在

内的几家公司展示了卓越的能力。这些专业知识

将有助于中国采用汽车雷达的 VCSELs。请注意，

中国是汽车雷达最大的市场。

在光通信领域，AI 正在推动数据中心 GaAs

2023-2029年化合物半导体衬底市场按应用领域划分（单位：百万美元）。来源：《化合物半导

体行业状况报告》，Yole Intelligence，2024年。版权所有：Yole Intelligence。

技术 | Technology – 化合物半导体

26 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

VCSEL 的采用。这些发射器被部署在 800G 及以

上的光收发器中，用于传输和接收数据。实现如

此高速度的关键因素是 100G/lane VCSELs。Coherent 和 Broadcom 已经在大规模生产这些器件，

Lumentum 也计划在今年晚些时候跟进。为了实

现 1.6Tb 可插拔光收发器的 200G/lane VCSELs 的

开发正在进行中，预计 2026-2027 年将大规模生

产。这引出了一个问题 ：在 2024 年至 2026 年的

短距离应用中，1.6Tb 光收发器将使用什么技术？

AI 推动的还有 InP 边缘发射激光器的销售，

这一应用的发货量由 100G 和 200G/lane InP 电吸

收调制激光器和高功率连续波分布式反馈激光器

主导，这些激光器使得 800G 和 1.6T 光收发器在

长途应用中得以实现。

回到 2023 年，AI 尚未产生重大影响，那一

年对 InP 业务来说是一个充满挑战的一年。来自

超大规模企业和云服务提供商的增长放缓和库存

增加，以及苹果公司在消费市场重新采用 GaAs

VCSEL 作为接近传感器，而不是使用 InP 边缘发

射激光器，都给市场带来了阻力。

自从今年年初以来，InP 市场的情况有了显

著改善。对于数据通信领域来说尤其如此，这一

领域正在推动衬底、外延晶圆和器件的增长。出

现了一些令人鼓舞的迹象，例如 Lumentum 收购

了 Cloudlight，以确保其数据通信业务的完全垂直

整合。然而，最重要的发展是 Coherent 宣布建立

一个 150 毫米 InP 工厂。我们现在是否会看到其

他参与者采用 150 毫米 InP 平台以降低成本并满

足市场需求，特别是如果 InP 在短期内重新进入

消费市场，而在长期内进入 6G 市场？

在权衡了所有可能的情况后，我们预测

GaAs 和 InP 光子裸片市场将分别在 2029 年达到

19.4 亿美元和 35 亿美元。

未来展望

为了推动性能和成本的极限，化合物半导体

行业继续探索新的材料、平台和设计。现在一个

关键问题是 ：哪种新兴的半导体衬底将是下一个

游戏规则改变者？答案并不明显，因为材料科学

家和工业界正在开发许多新的外延生长衬底，包

括 Ga2O3、 金 刚 石、 体 GaN、GaSb、InSb、 体

AlN、smartSiC 和基于多晶 AlN 的工程衬底。我

们预测，到 2028 年，新兴衬底市场将增长到 2.645

亿美元，这一增长将由功率应用推动，特别是使

用工程衬底。

考虑到所有这些进展，化合物半导体市场将

保持持续增长，特别是在硅无法满足需求的领域。

技术的未来发展无疑将受到化合物半导体的持续

发展和影响的塑造。

化合物半导体应用的发展——拐点。来源：《化合物半导体行业状况报告》，Yole Intelligence，2024年。版权所有：Yole Intelligence。

进一步阅读 / 参考文献

[1] Status of the Compound Semiconductor Industry 2024 report, Yole Group

[2] “Did Apple just kill the microLED industry?” article, Yole Group

[3] Power SiC and GaN Compound Semiconductor Market Monitor

[4] RF GaN Compound Semiconductor Market Monitor

[5] Photonic GaAs and InP Compound Semiconductor Market Monitor

[6] Emerging Semiconductor Substrates 2023

[7] RF GaN 2024

[8] Power SiC Manufacturing 2024

技术 | Technology – 化合物半导体

www.compoundsemiconductorchina.net 化合物半导体 2024年 10/11月 27

我们正处于不断发展、多样化无线技术的时

代。除了对现有技术的进一步发展，例如

引入了用于移动通信的额外标准，还出现了包括

成像和自动驾驶在内的新机遇。对于所有这些应

用，W 波段都有很大的潜力。该波段从 75 GHz

跨越至 110 GHz，专门用于 NR（新无线电），位

于大气衰减局部最小值处，因此非常适合电磁波

的传播。

在 W 波段传递放大的选项包括多种化合物

半导体技术。其中一个备选材料是 GaN，其效率

和功率密度比 GaAs 和 InP 要高。

在传统形式下，GaN 的性能优于其他化合物

半导体材料。然而，通过切换该器件的极性有可

能获得更好的结果。这一举措可以让新型深凹 N

极性 HEMT 在 W 波段的性能比传统 Ga 极性技术

高出两倍以上。明显的结果包括创纪录的 8.8 W/

mm 的功率密度以及在 94 GHz 时高达 31.7% 的功

率附加效率。这些晶体管的另一个优点是在很宽

的频率范围内保持恒定的高输出功率密度。从 94

GHz 到 30 GHz 和 10 GHz，功率密度值高达 8 W/

mm——这是其他类型晶体管从未观察到的特点。

这些结果出自我们加州大学圣巴巴拉分校团

队。十多年来，我们一直在开发 N 极性 GaN 技术，

在此期间，我们克服了许多挑战，还提高了性能。

传统 HEMT

传统的 GaN 晶体管因在高频下提供高功率而

闻名。这种能力是通过 III 族氮化物异质结构中

的 GaN 强击穿场、高电子速度和高二维电子气密

度 (2DEG) 实现的。当用于晶体管制造的 AlGaN/

GaN 异质结构在典型的 +c 方向上生长时，不需

要掺杂即可形成 2DEG，这与砷化物和磷化物半

导体形成鲜明对比。这是由于与 Ga-As 和 Ga-P

键相比，Ga-N 键具有更高的离子性，导致 III 族

氮化物优先在纤锌矿结构中结晶，该结构在 c 方

向上是非中心对称的。异质结构中会产生基于强

极化的内部电场，从而在 AlGaN/GaN 界面处形

成 2DEG。GaN 晶体的 Ga 极性（0001）或 +c 方

向是 III 族氮化物的标准生长方向，也用于当前光

电器件的生产。

许多学术和工业团体利用标准 Ga 极性技术

生产并改进了射频器件。在较低频率下，例如 4

GHz（S 波段），Wolfspeed 已证明输出功率密度

高达 41.4 W/mm。除了我们 UCSB 团队之外，开

发这些高性能器件的其他美国贡献者的不完整名

单包括 HRL、Qorvo、SEDI、Wolfspeed、雷神公

司和 NGC 等。大家的共同努力促进了 S、X 和 K

波段晶体管的商业化。这些器件现已投入商业使

用十多年，被应用在基站、雷达和卫星通信中。

未来的应用将涉及更高的工作频率，例如 V、

E、W 和 D 波段。在这些领域，标准晶体管的功

率性能有所下降。多年来，W 波段晶体管的功

率密度很少超过 3 W/mm，相关的功率附加效率

(PAE) 一直低于 15%。为了提高晶体管在这些高

频下的性能，需要 ：缩放晶体管栅极长度，实现

高电流和良好的栅极控制，并确保非常低的访问

电阻。与标准 Ga 极性晶体管结构不同，它可以

更轻松地在所有这些方面取得成功。

切换到 N 极性结构可使 GaN 晶体管在高频下具有更大的功率和效率

作者 ：Stacia Keller1 和 Umesh Mishra1

（1 加州大学圣巴巴拉分校）

GaN 射频晶体管 2.0 ？

图1. 相对于传统G a极

性晶体管（三角形和菱

形），N极性GaN（圆

形）提供了突破性的输

出功率密度。

技术 | Technology – GaN射频

28 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

进入 N 极性 GaN

要了解极性切换带来的好处，需要仔细观察

外延层结构。对于沿（0001）或 +c 方向生长的标

准 Ga 极性晶体管结构，AlGaN 势垒位于半绝缘

GaN 基层的顶部 ；2DEG 沟道形成于 GaN/AlGaN

界面，位于 AlGaN 势垒下方。相比之下，对于采

用 N 极性（000-1）或 -c 晶向的晶体管，虽然半

绝缘 GaN 基层和 AlGaN 势垒层与标准 Ga 极性结

构相同，但 GaN 沟道现在位于 AlGaN 势垒的顶部。

这种层顺序的差异有几个优点。一是 2DEG

沟道可以通过较低带宽的 GaN 顶层进行接触，从

而更容易形成低电阻欧姆接触。另一个优点是

2DEG 沟道现在位于 AlGaN 势垒的顶部，后者自

然地充当载流子限制的背势垒，从而改善了栅极

控制。第三个显著的好处是，沟道电荷现在可以

独立于沟道厚度进行控制，扩大了晶体管缩放时

的参数空间，其中，为了保持良好的栅极控制，

必须同时缩放栅极长度和栅极沟道距离。（M. H.

Wong 等人在 Semicond. Sci. Technol. 28 074009

(2013) 中对这些优点进行了更详细的讨论。虽然

此处未作探讨，但 N 极性方向对于 E 模式器件也

具有优势。）

这两种外延结构之间差异的根源在于内部电

场方向相反。对于 N 极性异质结构，内部电场的

方向有助于许多器件应用。然而，由于高质量 N

极性 III 氮化物外延的困难，利用这一优势绝非易

事。

具有挑战性的外延

实现 N 极性 GaN 薄膜的一种常见方法是采

用 c 面蓝宝石衬底（这是一种常用的 GaN 外延平

台），然后对表面进行氮化处理。该步骤在外延之

图2. (a)六方晶胞和(b)Ga极性和N极性GaN的原子结构。箭头表示GaN晶体中自发极化偶极P的方向。经IOP Publishing, Ltd授权，转载自S.

Keller et. al. Semicond. Sci. Technol. 29 113001 (2014)。

图3. Ga极性和N极性HEMT的层结构。在N极性结构中，二维电子

气 (2DEG) 形成于AlGaN势垒层顶部。

图4.(a) 深凹N极性HEMT示意图。(b) N极性深凹HEMT在不同工作

频率和漏极电压下的输出功率密度。观察到的输出功率与工作频率

的独立性对于晶体管来说是以前从未见过的。

技术 | Technology – GaN射频

www.compoundsemiconductorchina.net 化合物半导体 2024年 10/11月 29

前进行，涉及将蓝宝石在高温下暴露于氨或原子

氮。不幸的是，无论是在标准 c 面蓝宝石衬底上

还是在 c 面 GaN 衬底上生长，长期以来，N 极性

GaN 外延膜都因其六边形表面小丘而头疼，人们

认为这些小丘源自倒反畴。此外，这些薄膜含有

高浓度偶然的碳和氧杂质。

最初的突破出现在 2004 年，当时一个法国

团队首次发布了光滑 N 极性 GaN 的案例，该案

例使用 C 面 SiC 衬底并通 MBE 进行生长。此后

不久，我们的团队就能复制这一成功，并通过

MBE 生长光滑的 N 极性 GaN 薄膜，开始探索基

于 N 极性 GaN 的异质结构的器件应用。2005 年，

我们发表了第一篇论文，描述了 MBE 生长的 AlGaN/GaN 异质结构的特性，以及我们最初的晶体

管结果 ；在接下来的几年中，我们分享了更先进

的晶体管设计的细节。

我们还研究了使用 MOCVD 在 C 面 SiC 上生

长 GaN。同样，我们最初观察到存在不需要的六

边形表面小丘。然而，我们发现这些小丘的形状

和大小很大程度上取决于生长条件。这表明表面

工艺影响晶体生长，这可以通过晶体取向错误操

纵生长表面的阶梯密度来设计。众所周知，与理

想平面（即完美平坦的晶体表面平面）的取向差

角越大，晶体表面上形成的台阶数量就越多，因

此这些台阶之间的平台长度就越短。我们发现，

当我们在具有不同表面取向差的 c 面蓝宝石衬底

上生长 N 极性 GaN 薄膜时，随着取向差角的增大，

六边形表面小丘的密度大幅下降。在各种生长条

件下，我们使用 4 度的取向差角可生产出无小丘

的薄膜。

请注意，取向差角的增加也会改善 N 极性

GaN 薄膜的结构特性，使其与 Ga 极性薄膜相当。

另一个发现是，这些光滑的 N 极性 GaN 薄膜含

有较少的偶然杂质。经过 MOCVD 生长条件的

优化，我们的 N 极性 GaN 薄膜的残余碳和氧杂

质浓度低于 3×1016 cm-3。我们还展示了 N 极性

GaN薄膜，其性能可与取向错误的C面SiC和 (111)

硅上的 Ga 极性 GaN 相媲美。

我们通过 MOCVD 生长的晶体管开发始于研

究工作频率为 4 GHz 的晶体管的器件结构。在这

项研究中，我们最初采用了之前用于 MBE 生长

晶体管的外延结构。不过，我们在 GaN 沟道顶部

放置了一层薄的 AlGaN 层，以减轻栅极泄漏。结

果得到了半绝缘 GaN 的层结构，随后是 AlGaN，

即 25 nm 厚的 GaN 和 2 nm 厚的 AlGaN。

这些 N 极性晶体管的性能与其 Ga 极性晶体

管完全匹配。我们在蓝宝石和 C 面 SiC 衬底上记

录的输出功率密度分别为 12 W/mm 和 20.7 W/mm。

无论极性如何，SiC 较高的热导率使器件能够在更

高的电压下运行，从而实现更高的输出功率密度。

我们的结果证明了 MOCVD 可生长高质量的 N 极

性 GaN/AlGaN/GaN 异质结构，并有助于我们开发

在更高频率下运行的规模化晶体管。

图5. N极性GaN可通过D

波段服务于完整电磁频

谱。

图6. 除另有说明外，N极性深凹晶体管在90 – 96 GHz频率下的(a)输

出功率密度Po与漏极电压VD的关系，以及(b)功率附加效PAE与相关

输出功率密度的关系。N极性HEMT在给定VD下表现出较高的Po，

显示出高射频电流和出色的色散控制。后者与N极性晶体管的高增

益共同使其能够在给定Po下实现更高的PAE。 下转第33 页

技术 | Technology – GaN射频

30 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

先进功率器件是许多应用（包括电动汽车、

数据中心、电网和可再生能源处理）中高

效能源转换的重要组成部分。为了使这些器件达

到更高的性能水平，最终驱动力在于半导体材料

的选择。过去十年见证了 GaN 和 SiC 等宽禁带

半导体的成功。与硅相比，这些替代品提高了标

准。而目前更令人印象深刻的器件即将出现，它

们利用了超宽禁带半导体（例如 Ga2O3、金刚石

和 AlN）的卓越优势。

无论使用何种材料，功率器件的主要功能是

充当高阻断电压和高传导电流之间的开关。基于

这一要求，处理过压和过流事件的能力对于任何

功率器件都是必不可少的。凭借这一属性，功率

器件可以在保护电路介入之前暂时承受电力系统

中的常见故障（可能是短路、过载或电弧 / 接地

故障）。

传统上，雪崩和浪涌电流能力是通过同质 p-n

结实现的。然而，事实证明，这种架构在基于超

宽禁带半导体的功率器件中难以实现，因为实现

双极掺杂（制造同质结的要求）具有极大的挑战性。

解决这一挑战的一种方法是采用异质集成外

来 p 型氧化物，例如 NiO，它可以与 n 型 Ga2O3

配对。该方法由我们南京大学团队采用。早在

2020 年，我们就推出了首款双层 p-NiO/n- Ga2O3

异质结功率整流器，在这方面取得了新突破。这

项创新将反向阻断能力提高至 1.86 kV，并确保在

高达 440 K 的温度下稳定运行。然后，我们在此

成功的基础上，制备出基于 β-Ga2O3 的双极功率器

件，该器件将高电流输出与快速反向恢复和纳秒

开关结合在一起。这一基础使我们能够很好地应

对 Ga2O3 器件中最关键的雪崩和浪涌鲁棒性挑战。

针对最近的挑战，我们与弗吉尼亚理工大

学 Yuhao Zhang 团队联手合作。此次合作已取得

丰硕成果，通过创新的器件设计和电路评估，在

NiO/Ga2O3 p-n 异质结中实现了卓越水平的雪崩和

浪涌电流鲁棒性。

将 Ga2O3 与 NiO 配对，可在严苛环境下提供强大的电力电子器件

作者 ：Feng Zhou1

，Jiandong Ye1 和 Yuhao Zhang2

（1 南京大学，2 弗吉尼亚理工大学）

赋予氧化镓雪崩能力

技术 | Technology – 氧化镓

www.compoundsemiconductorchina.net 化合物半导体 2024年 10/11月 31

雪崩结构

对于功率器件来说，控制电场集聚和防止过

早击穿是十分重要的。我们的合作伙伴通过开发

免蚀刻边缘终端技术解决了这一问题，该技术采

用小角度斜切双层 NiO 结终端扩展（见图 1 (a)）。

我们使用具有超高介电常数的非晶 BaTiO3 层以一

致的方式共形覆盖 NiO 结终端扩展结构。引入这

种超高介电常数可确保 NiO/Ga2O3 结处的电场保

持近于一致，并最终实现均匀且稳健的雪崩（见

图 1 (b)）。对于电路测试，我们在 TO-220 封装中

放置了大面积（3 mm x 3 mm）的 NiO/Ga2O3 p-n

异质结器件。

具有雪崩能力的功率器件可以承受过压应

力。此类器件能够在雪崩击穿电压下承受高雪

崩电流，并耗散电路中的过多能量。我们 NiO/

Ga2O3 异质结器件的功能经过验证，已通过严格

测试，该测试使用准静态电流电压扫描和动态未

钳位电感开关电路。这些研究表明，雪崩击穿电

压随着温度的升高而增加（见图 1（c）），正温度

系数为 1 V/℃——这是器件雪崩的典型表现。根

据未钳位电感开关电路测试，我们的器件产生了

教科书般的雪崩波形（见图 1 (d)）。此外，从未

钳位的电感开关波形中提取的雪崩击穿电压的温

度系数与从电流电压特性中提取的雪崩击穿电压

的温度系数相同。

我们通过 100 万个循环的重复雪崩测试对我

图1. (a) 制作的 NiO/Ga2O3异质结二极管的三维图示。(b) 具有 BaTiO3介电层器件的模拟面内电场曲线。(c) 异质结二极管随温度变化的反向电流-电压特性。(d) 电感为

1mH 时Ga2O3异质结二极管的典型温度相关未钳位感应开关电压和电流波形。(e) 异质结二极管和参考Ga2O3斯科特基势垒二极管的浪涌电流-电压轨迹。(f) Ga2O3异质结

二极管、参考Ga2O3肖特基势垒二极管和商用硅快速恢复二极管的反向恢复特性。

们器件的强大雪崩能力进行了额外的验证。证实

了，与传统同质 p-n 结相比，我们的超宽禁带异

质结为功率应用提供了卓越的性能和鲁棒性。

除了这种雪崩能力之外，我们的 NiO/Ga2O3

异质结还具有出色的浪涌电流能力，可承受超过

50 A 的浪涌电流。与肖特基势垒二极管形成鲜明

对比的是，我们异质结器件的浪涌电流波形表现

出逆时针轨迹特征，代表了微分导通电阻的负温

度系数（见图 1 (e)）。令人惊讶的是，我们异质

结器件的 1200 V 反向恢复时间达到纳秒级（图 1

(f)），这与单极 Ga2O3 肖特基势垒二极管类似，并

且远快于双极硅快速恢复二极管。基于这些结果，

与传统的双极器件相比，我们 NiO/Ga2O3 异质结

可以同时降低传导损耗和开关损耗。

在极端条件下运行

得益于我们在雪崩和浪涌操作方面的突破，

我们已经能够深入研究极端条件下这些超宽禁带

半导体异质结中基本载流子动力变化的细节。这

类细节包括高电场、高电流密度、高温和非平衡

动态条件。

雪崩行为的实现取决于结处发生的碰撞电离

和倍增，以及碰撞电离产生的非平衡载流子的有

效去除。如图 2 (a) 所示，一旦 n 型 Ga2O3 漂移层

中引发碰撞电离，强电场就会将这种相互作用产

生的电子和空穴分别扫到阴极和异质结。由于交

技术 | Technology – 氧化镓

32 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

图2. (a) 雪崩条件下的能带图和载流子传输动态图。(b) 雪崩电流为 30 A 时，两种不同空穴迁移率下异质结二极管中电子和空穴浓度、电场

和生成速率的模拟曲线。 (c) NiO 的电子束感应电流曲线 /Ga2O3异质结来确定少数载流子扩散长度。(d) 高正向电流下载流子传输动力变化

的图示。(e) 正向电压为 6 V 时异质结二极管两侧少数载流子的模拟分布。

错的能带结构，NiO/Ga2O3 异质结不会对空穴传

输产生势垒。

模拟了我们器件的特性。这些计算表明，

Ga2O3 中碰撞电离产生的空穴不会受到有争议性

的自俘获现象的影响，并且具有相当大的迁移率

漂移——正是这一点使得高雪崩电流成为可能。

动态雪崩特性还能让我们提取 Ga2O3 中的全套电

子和空穴碰撞电离系数，这对于开发可用于多种

应用的日盲雪崩光电探测器非常重要。

NiO/Ga2O3 异质结强大的浪涌能力的另一个

优点是，它为 Ga2O3 中的少数载流子（空穴）传

输提供了新的方向，不过这一点仍然存在争议，

而且在很大程度上尚未得到探索。我们在这方面

与澳大利亚国立大学的研究人员合作，利用微观

电子束感应电流对 NiO/Ga2O3 异质结二极管中的

少数载流子动力变化进行成像（见图 2 (c)）。该

技术揭示了 p-NiO 中电子和 Ga2O3 中空穴的不对

称的少数载流子寿命分别为 124.0 ns 和 6.2 ns。

基于这些值，我们预计双极电导率调制主要发生

在高正向偏压下的 NiO 中，主要通过电子隧道注

入进行（如图 2 (d) 和 2 (e) 所示）。当该器件关闭

时，耗尽主要发生在轻掺杂的 Ga2O3 中。由于最

图 3. (a) 雪崩电场与雪崩阻断电压基准，以及 (b) 浪涌能量与反向恢复时间 (trr) 基准，所有数据均针对所报告的Ga2O3、GaN、SiC 和硅功

率二极管。

技术 | Technology – 氧化镓

www.compoundsemiconductorchina.net 化合物半导体 2024年 10/11月 33

扩展阅读

H. Gong et al. “A 1.86-kV double-layered NiO/β-Ga2O3 vertical p-n

heterojunction diode,” Appl. Phys. Lett. 117 022104 (2020)

F. Zhou et al. “1.95-kV Beveled-Mesa NiO/β-Ga2O3 Heterojunction

Diode With 98.5% Conversion Efficiency and Over Million-Times

Overvoltage Ruggedness,” IEEE Trans. Power Electron. 37 1223 (2022)

Y. Qin et al. “Recent progress of Ga2O3 power technology: large-area

devices, packaging and applications,” Jpn. J. Appl. Phys. 62 SF0801

(2023)

F. Zhou et al. “An avalanche-and-surge robust ultrawidebandgap

heterojunction for power electronics,” Nat. Commun. 14 4459 (2023)

J. Kozak et al. “Stability, Reliability, and Robustness of GaN Power

Devices: A Review,” IEEE Trans. Power Electron. 38 8442 (2023)

少的少数载流子需要在 p-NiO 中重新组合才能发

生切换，因此这对器件反向恢复的影响微不足道。

基准

我们的 NiO/Ga2O3 异质结将低导通电阻与高

电流容量和高阻断电压相结合，树立了新的性能

基准。如图 3 (a) 所示，浪涌电流和浪涌能量容量

超过了硅器件，并且与 SiC 和 GaN 器件的最佳报

告性能相当。值得注意的是，我们的异质结克服

了传统同质结中鲁棒性和开关速度之间的根本权

衡（见图 3 (b)），为推进超宽禁带器件在功率应

用方面扫清了道路。

除了电力电子领域的机遇之外，我们具有雪

崩耐用性的创新超宽禁带异质结架构在实现深紫

外光谱范围内的超低噪声雪崩光电探测器方面具

扩展阅读

E. Monroy et al. Appl. Phys. Lett. 84 3684 (2004)

S. Rajan et al. Jpn. J. Appl. Phys. 44 L1478 (2005)

S. Keller et al. J. Appl. Phys. 102 083546 (2007)

S. Keller et al. Semicond. Sci. Technol. 29 113001 (2014)

C. Lund et al. Semicond. Sci. Technol. 34 075017 (2019)

S. Kolluri et al. IEEE Electron. Dev. Lett. 33 44 (2012)

S. Wienecke et al. IEEE Electron. Dev. Lett. 38 359 (2017)

B. Romanczyk et al. IEEE Trans. Electron. Dev. 65 45 (2017)

E. Akso et al. IEEE Microw. Wirel. Technol. Lett. 33 683 (2023)

为了实现 94 GHz 的晶体管操作，我们将

GaN 沟道厚度减小至 12 nm，并在外延堆叠顶部

引入 GaN 盖帽层，以便制造深凹晶体管。GaN 顶

层有两个好处 ：它使表面远离 2DEG 通道，减轻

了直流到射频的色散（一种晶体管的射频性能滞

后于直流测试预期性能的现象）；并通过减少表面

耗尽效应，降低了接入区的电阻。

我们于 2016 年发布了第一个蓝宝石基深凹 N

极性 HEMT 的结果，并于次年报告了 SiC 基的变

体性能。后者在 94 GHz 下表现出创纪录的 6.7 W/

mm 输出功率密度和 14.4% 的功率附加效率。经

过进一步优化器件设计，我们能够将 20V 下的输

出功率密度提高到 8W/mm，16V 下的峰值功率附

加效率达到 28.8%。正如引言中已经提到的，这

些晶体管在很宽的频率范围内（从 94 GHz 到 30

GHz 和 10 GHz）可产生高输出功率密度，在后者

频率下的峰值功率附加效率分别为 56% 和 58%。

最近，我们推出了 8.84 W/mm (663 mW) 的

功率密度，到 2020 年相关的功率附加效率将达到

27% ；今年年初，我们宣布了单节 W 波段功率记

录达到 712 mW，功率密度为 7.1 W/mm，功率附

加效率在 94 GHz 时为 31.7%。我们在第 81 届器

件研究会议上公布的最新成果是针对输出功率为

1 W 的晶体管。

我们的研究表明，与标准 Ga 极性技术相比，

N 极性深凹晶体管可以在给定漏极偏置下提供更

高的输出功率密度，并在给定输出功率密度下提

供更高的功率附加效率。这种优势源于高射频电

流、出色的色散控制和高增益。经过 UCSB 近 20

年的 N 极性技术开发之旅，这些 N 极性深凹晶体

管实现了出色的输出功率和效率，使其成为当今

毫米波应用的前沿技术。

加州大学圣巴巴拉分校 N 极性 HEMT 技术的

开发，归功于所有为该项目做出贡献的研究

生和博士后研究人员（人员众多，无法一一

感谢，但都深表谢意）的辛勤付出。本项研

究也要感谢 ONR 在 Paul Maki 博士指导合同

下的持续支持。Paul Maki 博士分享了 N 极性

GaN 晶体管在性能上超越标准 Ga 极性技术

的愿景。DARPA 在 DREAM 计划下提供了额

外 支 持（Y.K. Chen 博 士、Dan Green 和 Tom

Kazior 博士）。

有巨大潜力。此类器件有望突破响应率和响应速

度之间的根本平衡，这一胜利有望在光电子和光

子学领域产生深远的影响。

上接第29页

技术 | Technology – 氧化镓

34 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等被认为只

是一种前景看好的材料的时代，已经一去

不复返了。现在，它们正在发挥自己的潜力，其

显著的商业成功就是明证。由于在电动汽车中

的广泛应用，SiC MOSFET 的销量正在飙升，而

GaN 现已成为制造便携式产品快充的材料。

但是，电力电子技术的革命还远远没有结束。

在几千伏或更高电压下工作时，领先的器件仍然

是硅 IGBT 和晶闸管。然而，一些基于化合物半

导体材料的新型替代品有望取代它们——它们也

可能在较低电压下发挥作用。

在加利福尼亚州旧金山举行的 IEEE 国际电

子器件会议 (IEDM) 上，展示了这类器件的几个

杰出案例。会上探讨了许多进展，其中包括 ：首

次展示了沟槽型 6.5 kV SiC IGBT ；GaN HEMT 能

够阻断该电压，同时提供超低动态导通电阻 ；首

款由 Ga2O3 制成的垂直超结器件，其击穿电压达

2 kV ；以及基于 AlN 的垂直型 p-n 二极管，采用

无掺杂剂分布式极化掺杂，其临界电场几乎是所

报道的 SiC 和 GaN 值的两倍。

沟槽型 SiC IGBT

在国家层面，为减少碳排放所做的努力需要

包括引入智能电网和高压直流输电系统。这两项

突破功率极限

新颖的设计丰富了一系列半导体材料的功率器件的性能

作者 ：Richard Stevenson，《CS》杂志

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创新的基础包括静态同步补偿器和固态变压器，

它们是由能够阻断高电压和提供大电流的功率器

件组成的元件。

由 SiC 制成的器件有望成为这些补偿器和变

压器的候选器件。SiC 不仅能确保器件的高性能，

还能在高频率下工作，这为缩小补偿器和变压器

的尺寸和提高其效率打开了大门。不过，如果采

用 6.5 kV SiC MOSFET，导通电阻是一个令人

担忧的问题，尤其是在高温条件下（175℃时为

104 mΩ cm2

）。

由于这一限制，许多研究小组已经开发出了

SiC IGBT。其中包括利用厚漂移层实现 15 kV 阻

断的产品，以及日立公司首创的变体，其特点是

采用更薄的漂移层来降低开关损耗。2016 年，日

立公司（Hitachi）的研究人员推出了一款具有低

开关损耗的 6.5 kV SiC IGBT，该器件采用了极薄

的漂移层，在最近的 IEDM 上，该团队又推出了

一种具有沟槽双扩散 MOS 结构的后代产品（见

图 1），旨在解决由于沟道迁移率低而导致的发射

极电子注入低的问题。

Naoki Watanabe 在他的 IEDM 演讲中描述了

这种器件，并强调了传统 SiC 沟槽栅极结构的一

个弱点： \" 在沟槽底部，由于 SiC 的临界电场很高，

而 SiC 临界电场靠近栅极氧化物，在关断状态下

栅极氧化物中会产生高电场。因此，要实现沟槽

栅 SiC IGBT，电场弛豫是必要条件。

为解决这一问题，该团队开发了一种新型的

SiC IGBT，其采用沟槽蚀刻双扩散 MOS 结构。

据称，这种采用 V 型结构的设计的优点之一是通

过缩小沟槽间距提高了沟道密度。另一个优点是，

在关断状态下工作时，通过将沟槽埋入 p 体，栅

极氧化物中的电场大大降低。

为了评估沟槽蚀刻双扩散 MOS 结构的能力，

Watanabe 及其同事制作了这种形式的测试结构，

然后将其电气特性与平面变体进行了比较。在绘

制栅极电压与漏极电流的函数关系图时发现，沟

槽蚀刻双扩散 MOS 结构的电流增加了一倍，这

要归功于鳍状结构。Watanabe 认为 ：“因此，沟

槽蚀刻双扩散 MOS 结构可以增强发射极的电子

注入。”

该团队通过模拟深入了解了该器件在关断状

态下的电场，该电场的峰值为 2 MV cm-1。Watanabe 说 ：“这个值很低，足以确保高可靠性。”他

还补充说，沟槽蚀刻双扩散 MOS 结构抑制了栅

极氧化物中的电场。

该团队的新型 IGBT 的制造首先采用 n+ 衬

底，然后沉积包括 70 μm 厚漂移层的外延结构。

最后一道工序是背面研磨，这样就制成了漂移层

很薄的 IGBT。

电气特性测量结果表明，采用沟槽蚀刻双扩

散 MOS 结构的 IGBT 的导通电压（定义为集电

极电流为 200 Acm-2 时的电压）为 4.8 V，而平面

型的导通电压为 6.7 V。接通时，新型 IGBT 的

微分导通电阻为 6.6 mΩcm2

，约为平面器件的三

分之一。采用沟槽蚀刻双扩散 MOS 结构的 IGBT

在 6.5 kV 电压下的集电极漏电流为 0.41 mA cm-2

（见图 2），证明了它的阻断能力。

采用沟槽蚀刻双扩散 MOS 结构的 IGBT 开

关特性也优于平面控制。关断和导通损耗分别降

低了约 19% 和 6%，这要归功于较小的反馈电容

和来自发射极的大量电子注入。

有源钝化 GaN HEMT

在 IEDM 上展出的另一款器件是 E-mode 有

源钝化 p-GaN 栅极 HEMT，它能够提供 6.5 kV 的

图1. n沟道SiC IGBT，采用沟槽蚀刻双扩散MOS结构。 阻断电压，目标市场是未来的电网基础设施。

图2. 采用沟槽蚀刻双

扩散 MOS 结构的S i C

IGBT可实现超过 6.5 kV

的阻断电压。

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36 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

这种在蓝宝石衬底上生长的横向 GaN HEMT

由北京大学、清华大学和名古屋大学的研究人员

合作开发，其优点包括不需要厚外延结构，并有

机会将同一外延片用于低压和高压器件。

北京大学的 Jiawei Cui 代表团队发言时指出，

开发千伏级 GaN 功率开关时，面临的两大挑战是

确保增强型模式工作（即器件通常处于关断状态）

和动态导通电阻的稳定性。

Jiawei Cui 表 示 ：“p-GaN 栅 极 HEMT 是

E-mode GaN 功率晶体管的主流技术。为了充分

利用过去几年积累的经验，我们认为将 p-GaN 栅

极结构用于高压晶体管也是一个不错的选择。”

为了抑制动态导通电阻，崔和同事们放弃了

增加多个场板的传统方法，因为这种方法对于工

作电压超过几千伏的器件来说是不切实际的。

“作为一种替代方法，我们提出了有源钝化

p-GaN 栅极 HEMT，”Jiawei Cui 解释说，在这种

晶体管中，减薄的 p-GaN 层起到了钝化作用（见

图 3）。这种形式的 HEMT 还具有其他特点，如

屏蔽移动空穴的表面捕获，以及只需一个额外步

骤就能实现有源钝化。

在制造器件时，首先要使用传统的外延片，

该外延片具有高电阻率缓冲层、200 nm 厚的未

掺杂 GaN 沟道、15 nm 厚的 Al0.2Ga0.8N 势垒和

20nm 厚的 p-GaN 盖帽，并通过两步工艺对该层

进行选择性蚀刻。然后沉积二氧化硅使器件钝化，

再加入欧姆触点、隔离步骤以及形成栅极触点和

探针 pad。

电学测量显示，有源钝化 HEMT 的关态阻断

能力优于作为对照器件的传统 HEMT。对于这两

种器件，栅极长度的增加会导致更高的阻断电压，

栅极长度为 77μm 的有源钝化 HEMT 能够阻断

6.573 kV 的电压（见图 4）。研究小组认为，有源

钝化 HEMT 的阻断电压之所以更高，是因为耗尽

区的位置发生了变化，不再部分位于栅极下方。

根据对传输电流 - 电压特性的测量，这两种

形式的 HEMT 都呈现出增强型模式工作，阈值电

压为 0.8 V。

对输出电流 - 电压特性的测量结果表明，有

源钝化 HEMT 的导通电阻低于对照组，分别为

38.2 mΩmm 和 43.6 mΩmm。

为了评估其器件的动态导通电阻，崔和同

事比较了一系列漏极 - 源极电压下的动态值和静

态值。据报道，在 4.5 kV 电压下对栅极长度为

77μm 的增强型 p-GaN 栅极 HEMT 进行测量时，

该比率为 1.02。

据称，优良的导通电阻特性源于钝化层的屏

蔽效应。为了验证这一结论，研究团队制作了一

对器件——带有源钝化和不带有源钝化——其中

包括一个表面测试电极。

在该电极上施加负电压可模拟负表面捕获效

应。崔说 ：\" 我们发现，传统 HEMT 的漏极电流

减小了，但有源钝化 HEMT 的漏极电流保持不

变。这一结果表明，有源钝化可以屏蔽表面效应

对 2DEG 沟道的影响。

图4.传统GaN HEMT的

关断特性（a）不如采

用有源钝化设计的变

体（b）。

图 3. 有源钝化 HEMT 的

结构（a）及其制造工艺

概要（b）。

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研究人员还进行了第二项测试，在电极上施

加正电压以在表面捕获电子。去掉电压后，传统

HEMT 的漏极电流减小，需要很长时间才能恢复。

相比之下，有源钝化 HEMT 的漏极电流没有变化，

进一步证明了表面屏蔽的作用。

崔最后对有源钝化 HEMT 进行了基准测试。

他声称，该器件的性能接近 SiC 极限，是第一个

阻断电压达到或超过 6.5 kV 的增强型 p-GaN 栅极

HEMT。

Ga2O3 超结肖特基整流器 .

美国和日本的研究人员合作开发出了另一个

新的突破 ：首个由超宽禁带材料 Ga2O3 制成的垂

直超结器件。

弗吉尼亚理工学院和州立大学、南加州大学、

美国海军研究实验室、 Novel Crystal Technology 公

司和橡树岭国家实验室的研究人员合作一系列器

件，这些器件的支柱宽 1-2μm，包裹在电荷平衡

的 p 型 NiO 中。这些器件可阻断高达 2 kV 的电压。

弗吉尼亚理工学院和州立大学的 Yuan Qin 代

表合作伙伴发言。他首先强调了 Ga2O3 的优势。

这些优势包括临界电场高（预计可达 8 MV cm-1）、

温度稳定性高以及可在大直径衬底上外延生长。

遗憾的是，这种氧化物有两大缺点 ：缺乏 p 型掺

杂和热导率低。

Qin 简要介绍了各种形式半导体器件的发展

历程，他解释说，从一维结构到多维变体（如采

用超结、多通道和多栅极的器件）的转变，在系

统层面实现了更高的功率密度和效率。

对于超结器件，例如 Qin 及其同事制备的器

件，导通电阻随阻断电压呈线性增长，而对于一

维器件，导通电阻则随阻断电压的平方而变化。

Qin 说 ：“对于超宽禁带半导体氧化镓而言，

制备超结器件仍面临一些挑战，”他解释说，其中

之一是开发一种能产生垂直侧壁和光滑表面的深

柱蚀刻工艺。

由于缺乏 p 型 Ga2O3，器件开发还需要选

择一种不会导致过多界面陷阱的替代 p 型材料。

NiO 显然是一个候选材料——它以前曾用于制备

GaN 的垂直超结和 Ga2O3 的横向超结。

超结器件的制备涉及对 NCT 生产的 2 英

寸 Ga2O3 外延片的处理，该外延片有 10μm 厚的

n-Ga2O3 层（掺杂水平为 2×1017 cm-3）和 0.5μm

厚的 n-Ga2O3 层（掺杂水平为 1×1016 cm-3）。干

法蚀刻产生了 6.5μm 深的柱子，在氩气和氧气环

境中通过共形溅射将其包裹在 NiO 中。由于 NiO

中的受主浓度远高于 Ga2O3 柱中的施主浓度，因

此厚度为 120nm 的 NiO 可与 1-2μm 宽的柱子实

现电荷平衡。研究小组通过在沟槽中填充光刻胶

并添加 Ni/Au/Ti/Ag 肖特基触点，完成了器件的

制备（器件结构见图 5，工艺流程详情见图 6）。

在这种设计中，0.5μm 厚的顶部 n-Ga2O3 层

有两个作用 ：降低肖特基触点的隧穿漏电流 ；将

峰值电场的位置从肖特基触点转移到体超结。

Qin 及其同事评估了具有各种柱宽的超结器

件的阻断能力。他们发现，击穿电压最初随支柱

宽度的增加而增加，在支柱宽度为 1.8μm 时达到

2kV，而在更宽的支柱宽度时则有所下降。峰值

阻断能力源于最佳电荷平衡。

当器件温度升高到 175 ℃ 时，研究小组观察

到阻断电压小幅下降到 1.8 kV。这表明电荷平衡

在高温下得以保持。

对于阻断电压最好的器件，室温下的导通

电压为 1 V，通断比约为 109

，比导通电阻仅为

0.7 mΩcm2

。 在 175℃时，导通电压降至 0.8 V，

通断比约为 108

，比导通电阻为 1.3 mΩcm2

。

在对该器件进行基准测试后，Qin 指出，在

600 V 至 4 kV 的所有肖特基势垒二极管和结势垒

肖特基二极管中，该器件在比导通电阻和击穿电

压之间实现了最佳折衷。该团队的器件可提供快

速开关，其性能接近 GaN 的一维极限。

AlN 垂直型 p-n 二极管

在硅的所有替代品中，AlN 可以说是最有前

途的。由于具有 6 eV 的带隙，它的临界电场远高

于所有竞争对手，这表明它有可能在阻断电压和

比导通电阻之间做出更好的权衡。

多年来，AlN 器件的缺点之一是一直缺乏同

图5. 垂直 Ga2O3 超结肖

特基势垒二极管的特性

由沟道深度（LSJ）、

沟道深度（Wn）、沟道

间距（S）和氧化镍厚

度（Wp）等关键尺寸决

定。

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38 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

质衬底。不过，近年来AlN器件已取得了很大进展，

2022 年的报告显示，这种材料中的螺纹位错密度

可低于 104

cm-2，而旭化成公司也于 2023 年宣布

推出直径为 4 英寸的衬底。

AlN 的另一个问题是难以实现导电层。由

于常见掺杂剂的电离能较高，硅施主的电离能为

282 meV，镁受主的电离能为 630 meV，因此通

过传统方法实现室温导电是一项挑战。

分布式极化掺杂提供了一种解决方案，这种

方法是加州大学圣巴巴拉分校 20 多年前首创的。

在氮化物合金中，p 型和 n 型电导率都可以通过

使用梯度合金方向的正或负固定空间电荷来实

现。

在这种方法的基础上，名古屋大学和旭化成

公司团队利用分布式极化掺杂法在 AlN 基激光二

极管中产生了一个 p 型层。据说，这种生产 p 型

层的方法可以提高注入效率和微调串联电阻，并

最终实现在紫外线下连续发射激光。

在 IEDM 会议上，该团队宣布在分布式极化

掺杂方面取得了进一步的成功。利用它在 AlN 基

的垂直 p-n 二极管中生产出 p 型和 n 型层。

来自名古屋大学的 Takeru Kumabe 向 IEDM

代表解释说，在他们团队最近取得成功之前，铝

成分超过 30% 的 AlGaN 二极管还没有表现出理

想的电气特性。

Kumabe 及其同事制备器件的方法是，在 AlN

村底上生长出 300 nm 厚的 Al0.7Ga0.3N 接触层，然

后是 400 nm 厚的分布式极化掺杂 AlGaN n 型层、

120 nm 厚的分布式极化掺杂 p 型层，最后是 20

nm 厚的镁掺杂 GaN 接触层。在分布式极化掺杂

层中，AlGaN 层的铝含量从 70% 到 95% 不等。

二极管的制备始于盖层中镁掺杂剂的活化。

在添加阴极、阳极和接触 pad 以及防止空气放电

的聚酰亚胺表面保护层之前，蚀刻工艺确定了垂

直网格，等离子体增强 CVD 提供了 SiO2 保护层。

二次离子质谱法（SIMS）测定的负电荷

和正电荷浓度平均值分别为 1.8×1018 cm-3 和

2.6×1017 cm-3。\"Kumabe 解释说 ：\" 在这两个分

布式极化掺杂层中，电荷浓度沿深度方向恒定不

变，这要归功于线性成分分级。

在室温下对二极管进行的电气测量显示，其

导通电压为 6.5 V，比导通电阻为 3 mΩcm2

。据

Kumabe 称，这是迄今所报道的 AlN 基的 p-n 二

极管的最小比导通电阻值。

研究小组还利用电致发光（EL）来仔细研究

其器件的特性。\"Kumabe 说 ：\"EL 发射随着电流

的增加而增加，这表明电子和空穴都有助于典型

p-n 二极管的传导。

图 6. 制备 Ga2O3 超结肖特基势垒二极管的十个步骤。

图7.分布式极化掺杂用

于形成AlN基二极管。

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为了验证他们的器件是否是真正的 p-n 二极

管，Kumabe 和同事在 323K 至 573K 的温度范围

内测量了电流密度与正向偏压的函数关系。发现

阈值电压随着温度的升高而降低。使用复合电流

模型来描述电学特性，进一步证明了该团队的器

件表现为 p-n 二极管，而不是具有金属 - 绝缘体 -

半导体结构的器件（见图 8）。

反向偏压测量显示，器件在 -283 V 时发生

了破坏性击穿，这表明雪崩击穿并未发生。因

此，Kumabe 及其同事计算出击穿时的电场为

7.3 MV cm-1。

“将提取的电场与碳化硅和氮化镓的电场

极限，以及之前报道的分布式极化掺杂 GaN

图8. AlN二极管随温度变化的理想因子接近 2，这表明电子和空穴

都在器件工作中发挥作用。

图 9. 采用分布式极化掺杂的AlN基二极管的性能远远超过了 SiC 和

GaN的极限。

p-n 二极管的电场极限进行了比较。\"Kumabe

说。”7.3 MV cm-1 这一数值几乎是相同掺杂浓度

下氮化镓和碳化硅极限值的两倍。

Kumabe 还指出，他们的器件打破了在 GaN

衬底上使用分布式极化掺杂 GaN 二极管所能实现

的极限。

Kumabe 总结说 ：“这一结果证明了氮化铝

和高铝含量氮化铝镓在功率器件应用中的巨大潜

力。”

这些工作表明，AlN 器件正在取得巨大进步。

除了在 IEDM 和其他会议上报告的 SiC、GaN 和

Ga2O3 器件的进展之外，毫无疑问，电力电子器件

的革命正在顺利进行，但更多的进展还在后面。

据媒体报道，日前，三安光电相关负责人向

记者透露，重庆三安项目（系 8 英寸碳化硅衬底

配套工厂）已实现衬底厂的点亮通线。

据了解，2023 年 6 月，三安光电和意法半导

体官宣在重庆合资建厂，进行 8 英寸碳化硅（SiC）

芯片大规模量产计划。同时，三安光电独立投资

70亿元人民币配套建设一座8英寸碳化硅衬底厂。

此前消息显示，该项目总投资约 300 亿元，

将建设一个技术先进的 8 英寸碳化硅衬底和晶圆

工厂，全面整合了 8 英寸车规级碳化硅的衬底、

外延、芯片的研发制造，以及为其提供碳化硅衬

重庆三安项目衬底厂已点亮通线

底的材料供应商。其中，碳化硅衬底厂重庆三安

由三安光电全资子公司湖南三安于 2023 年 7 月

全资设立，专业从事碳化硅晶圆生长、衬底制造，

规划达产年生产能力为 8 英寸碳化硅衬底 48 万

片。

据相关工作人员透露，湖南三安的全资子公

司重庆三安是匹配生产 8 英寸碳化硅衬底供应给

三安意法。重庆三安项目已经通线，设备开始运

转了，但该厂的体量要等对应的芯片和外延厂也

通线才会放大量。且湖南 6 英寸已经不再扩产，

后续都将扩产 8 英寸。

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科技前沿 | Research Review

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推进铟镓砷 MOSFET

比高电子迁移率晶体管 (HEMT) 更易于生产的铟镓砷 MOSFET，是超高频应用的有前景的候选者。

来自台湾的研究人员开发了一种反型铟镓砷

MOSFET，据称这种晶体管的跨导和截止

频率 (fT) 的值非常出色。

国立阳明交通大学的研究团队的工作应该有

助于亚毫米波源的发展，这些源可能用于下一代

无线通信网络和高分辨率成像系统。研究人员表

示，他们的晶体管是广泛用于射频应用的基于砷

化镓 (GaAs) 和磷化铟 (InP) 的 HEMT 的有吸引力

的替代品，但这些 HEMT 难以缩放，并且需要复

杂的外延过程来生长异质结构。

据说，使用铟镓砷量子阱的 III-V MOSFET

解决了这一问题，包括实现了 370 GHz 的 fT 和

400 GHz 的最大截止频率 (fmax)。

“但是在我看来，量子阱器件具有复杂的外

延结构和复杂的制造过程，”团队发言人 Jing-Yuan Wu 说，他指出他们的反型器件具有表面沟道，

结构更简单，并且得益于与 CMOS 兼容的制造过

程。

虽然量子阱变体的性能略高于 Wu 及其同事

生产的 MOSFET，但后者声称具有更高的商业价

值——在成本较低以及更容易集成到片上系统方

面，这是一个有前途的特性。

台湾的团队开始生产他们的晶体管，将 3 英

寸的磷化铟衬底装载到分子束外延 (MBE) 反应器

中，并沉积了 100 纳米厚的非故意掺杂的 InAlAs

缓冲层，以减少信号损失，以及 50 纳米厚的轻掺

杂 p 型 In0.53Ga0.47As 沟道。为了从这些外延片生

产器件，研究人员用稀释的盐酸去除天然氧化物，

通过原子层沉积 (ALD) 添加了 10 纳米的 Al2O3

帽，以保护 In0.53Ga0.47As 表面，并使用光刻技术

定义了有源区。然后他们通过硅注入和快速热退

火添加了源和漏区域，然后应用稀释的氢氟酸去

除帽，使用 ALD 添加了 AlN 界面钝化层和 Al2O3

栅介电层，最后引入了与该结构的接触。Wu 及

其同事比较了栅长从 75 纳米到 400 纳米的器件的

性能。正如预期的那样，漏电流随着缩放而提高，

在栅长范围内提高了三倍，在 1.0 V 的栅和漏偏

置下达到峰值达到 816 mA/mm。在漏源电压为

0.7 V 时，具有最小栅长的晶体管的峰值跨导为

1035 mS/mm。

使用漏源电压 0.7 V 和栅源电压 0.2 V，团队

结合外推和小信号模型来确定 ft 和 fmax 的值分别

为 275 GHz 和 75 GHz。

Wu 说，fmax 的低值是由于 TiN 栅堆叠的非常

高的电阻。“为了提高 fmax 性能，我们将尝试引入

一种基于金的合金，它具有低电阻。”

根据 TCAD 模拟，团队的晶体管的 fT 值随着

栅长减小而增加。他们可以在 15 纳米栅长下达到

529 GHz。

与硅和其他铟镓砷 MOSFET 相比，该团队

的器件在 ft 和栅长的乘积这一指标上表现更好。

Wu 及其同事将这种优越性归因于

In0.53Ga0.47As 沟道的出色的载流子传输特性。沟道

中的电子速率为 2.88×107

cm/s。

据 该 团 队 称， 他 们 的 结 果 表 明， 铟 镓 砷

MOSFET 在将来的毫米波和亚太赫兹应用中具有

巨大的潜力。

参考文献

J.-Y. Wu et al. Appl. Phys. Express 16 041007

(2023)

国立阳明交通大学团队制造的铟镓砷平面MOSFET，其沟道具有非

常高的电子速率值。

科技前沿 | Research Review

42 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

将铟磷 PCSEL 的功率推向新高

一种双晶格光子晶体结构确保在 1550 纳米处实现强大、极其窄的发射

一个包括发明光子晶体表面发射激光器

(PCSEL) 的团队在内的日本合作伙伴声称，

已将 1550 纳米这类设备的输出功率推向新高。

该团队基于铟磷的激光器，由京都大学和

住友电工的先驱者以及工程师合作生产，能够提

供连续输出功率 300 毫瓦。在此之前，最强大的

PCSELs 在脉冲操作下仅能发射大约 100 毫瓦的

功率，波长约为 1.55 微米。

PCSEL 以其单模操作、高光功率和高质量窄

发散角光束而闻名—在 1.55 微米左右发射的更强

大的版本是激光雷达、材料加工和光通信的理想

光源。

“我们相信 300 毫瓦的 [PCSELs] 已经可以

满足一些实际应用的要求，”京都大学的 Susumu

Noda 说，他将团队的 PCSEL 创纪录的输出功率

归功于设计和工艺的进步。

“我们的双晶格光子晶体设计针对 1550 纳米

波长进行了优化，基于我们对基于砷化镓和基于

磷化铟 PCSELs 的广泛经验，”Noda 说。“此外，

我们控制良好的刻蚀和再生长工艺实现了最小损

伤，从而减少了光损耗。”

该团队的 PCSEL 制造始于通过 MOCVD 生

长外延层，随后使用电子束光刻和干法刻蚀形

成光子晶体结构。在添加一个包含四个 InGaAsP

量子阱的有源区之前，先覆盖 InP 间隔层以封

装空气孔，然后是 p 型 InP 包层和重掺杂的 p 型

GaInAs 接触层。通过这种方法，团队避免了对有

源层造成任何损伤的可能性。

为了完成他们的 PCSEL 制造，Noda 和他的

同事添加了电极。他们的 n 型电极定义了器件的

尺寸，并且具有一个圆形窗口，光线通过该窗口

发射，直径为 200 微米。p 型电极除了注入载流

子外，还作为背面反射器，提高了斜率效率。

基于铟磷的 PCSEL 具有双晶格光子晶体结

构，用于实现高功率单模操作，结合了小圆形孔

和较大的椭圆形孔。

测量结果显示，在室温下最大输出功率为

318 毫瓦，实现了 17.3% 的壁插效率。在此温度下，

阈值电流为 230 毫安，阈值电流密度为 0.73 千安

培每平方厘米。后一个值仅略高于与团队的 1300

纳米 PCSELs 的阈值电流密度 0.67 千安培每平方

厘米相关。团队将这种阈值电流随波长的小幅增

加归因于更大的内在损耗，以及增加的俄歇复合。

团队使用 1770 毫安的驱动电流记录了他们

最新的 PCSEL 在室温下的光谱发射，对应于峰值

输出功率。这次测量确认了单模发射，在 1564 纳

米处达到峰值，并提供了全宽半高值小于 0.02 纳

米的值，这是分析器的分辨率。

在从低于 1000 毫安到超过 2000 毫安的驱动

电流下，以及从低于 20°C 到 60°C 的温度下，测

量了边模抑制比的值。在所有情况下，边模抑制

比都超过了 60 分贝。

Noda 及其同事还研究了他们的 PCSEL 单模

操作的高稳定性水平，计算将这一优势归因于大

的阈值增益裕度，以及适度减弱的光子晶体结构

的平面内光耦合。

据 Noda 称，团队的下一个目标是改进他们

的设计，包括光子晶体，并实现瓦特级操作。

参考文献

T. Aoki et al. Appl. Phys. Express 17 042004

双晶格光子晶体在增加1.55微米PCSELs的输出功率中发挥了至关重要的作用。 (2024）

科技前沿 | Research Review

www.compoundsemiconductorchina.net 化合物半导体 2024年 10/11月 43

PCSELs 产生绿色发射

通过调整光子晶体的尺寸，绿色发射在 15 纳米范围内任意调节

日亚化学和京都大学之间的合作声称已经制

造出第一款在绿色波段发射的光子晶体表

面发射激光器 (PCSEL)。

这支日本团队的发言人 Natsuo Taguchi，在

日亚化学和京都大学都担任职位，他表示，由于

其卓越的光束质量，绿色 PCSELs 具有很高的潜

力。这类激光器在垂直和横向上都能实现单模操

作，并且结合了窄发散角和接近理想高斯光束的

光束质量。

Taguchi 表示，绿色发射 PCSELs 可以取代固

态激光器，在包括显示成像和生物科学在内的应

用中获得部署。

PCSEL 的另一个优点是，可以通过仔细选择

光子结构的尺寸，以极高的精度设计发射波长。

“激射波长可以任意调节，”Taguchi 说，“这

使我们能够通过颜色混合创造出任意颜色。”除了

为显示应用提供有价值的属性外，这种可调性还

允许将发射调整到荧光染料的峰值吸收效率。

Taguchi 和他的同事开创的绿色 PCSEL 具有

双晶格光子晶体，以改善对激光产生的干涉的控

制。

为了形成光子晶体结构，工程师们在 GaN 堆

栈上方沉积了一层氧化铟锡 (ITO)—一个由 n 型

层、有源区和 p 型层组成的异质结构—然后使用

电子束光刻和反应离子刻蚀来定义器件尺寸。通

过采用这种方法，在最终确定光子晶体晶格的细

节之前，可以通过光致发光对外延结构进行光学

特性分析。

通过刻蚀形成的孔用等离子体 CVD 工艺填

充 SiO2。这一步保护了光子晶体的侧壁免受导电

粒子的侵害，这些粒子可能会造成电流泄漏，妨

碍 PCSEL 的稳定运行。用 SiO2 填充孔还可以增

加光子晶体层的有效折射率，导致基本模式的分

布转移到这一层，最终增强了导引光和光子晶体

之间的耦合。

注意，添加 SiO2 也有一个缺点：减少了 p-GaN

层和光子晶体之间的折射率对比度。然而，这可

以通过增大光子晶体的填充因子来抵消。

在用 SiO2 填充孔之后，团队移除了 ITO 膜，

除了一个用于电极的 300 微米直径的中心圆形区

域，然后暴露了 n-GaN 层，然后添加电极和反反

射涂层（见图 PCSEL 的设计）。

在 500 纳秒脉冲和 1 千赫兹的重复频率下驱

动，团队的 PCSEL 在电流密度为 3.89 千安培每

平方厘米时功率输出急剧增加，并在大约 5 安培

的驱动电流下提供了大约 50 毫瓦的最大输出。相

应的壁插效率大约为 0.1%。

通过调整晶体晶格的尺寸，团队展示了它可

以任意调节发射波长从 505.7 纳米到 520.5 纳米。

Taguchi 说，他们的下一个目标之一是提高

他们的 PCSELs 的壁插效率。这将通过优化光子

晶体的设计和制造来实现，以增加光子晶体层的

平面内耦合强度和垂直辐射。“同时，外延层将被

优化以降低激射阈值。”

参考文献

N. Taguchi et al. Appl. Phys. Express 17 012002

(2024）

具有双晶格光子晶体的绿色发射PCSELs输出高达50毫瓦

44 化合物半导体 2024年 10/11月 www.compoundsemiconductorchina.net

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