专家访谈
【专家访谈】西安电子科技大学张进成教授：营造良好的产学研用合作生态，推动氧化镓半导体高质量发展
2023-10-11
2023年，亚洲氧化镓联盟（以下简称“AGOA”）拓展了新的频道——专家访谈。由联盟内部的理事单位、会员单位和专家委员会供稿，阐述各自对氧化镓领域的不同见解。带领我们认识氧化镓、了解氧化镓、深入氧化镓。
本次我们有幸采访联盟技术专家委员会主任——西安电子科技大学张进成教授，分享他对于氧化镓这一材料的独到见解。
嘉宾介绍
张进成教授现任西安电子科技大学副校长，二级教授。何梁何利基金科学与技术创新奖获得者，国家自然基金杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授。中国电子学会空间电子学分会第六、七届委员，中国物理学会半导体物理专业委员会委员，曾任ICNS（国际氮化物半导体会议）、DRIP（国际缺陷识别检测会议）等国际学术会议电子器件分会主席，全国半导体物理学术会议组织委员会副主席。长期从事宽禁带半导体氮化镓、超宽禁带半导体氧化镓与金刚石研究，在低缺陷外延材料与新型异质结构、大功率射频器件与电路、高压电力电子器件等方面取得一系列重要创新成果，成功应用到北斗导航卫星、5G通信基站等国家重大工程中，代表性成果入围“十三五”国家科技成就展。以第一和第二完成人获得国家技术发明二等奖2项，省部级科技一等奖7项。发表高水平学术论文200余篇，出版专著3部，授权发明专利100余项，在国内外学术会议做特邀报告50余次。
AGOA：氧化镓作为超宽禁带半导体材料，它的优势和未来可能的应用领域会有哪些？
氧化镓拥有超宽的禁带宽度（4.9~5.3eV）、超高击穿场强（~8MV/cm）、高电子饱和漂移速率（2x107cm/s）、优良的热稳定性，明显优于宽禁带半导体SiC和GaN。同时，氧化镓是宽禁带与超宽禁带半导体中少有的可使用“FZ(floating zone)”及“EFG(edge-definedfilm-fed growth)”等溶液生长法低成本制备的材料，因此兼具超高性能和低成本潜力的氧化镓得到了学术界和产业界的广泛关注和高度期待。
氧化镓在高效率高压功率器件、高功率射频器件、深紫外探测器件、辐照等极端条件应用的功能器件等方面具有良好的应用前景。短期内可以有望开发出小型化、高效、性价比优良的超大功率二极管和晶体管。
AGOA：目前而言氧化镓材料的研究难点有哪些？
氧化镓材料和器件目前还有很多关键挑战和难点需要进一步研究并克服。一是低成本、高质量、大尺寸的氧化镓单晶生长；二是高速、低缺陷的氧化镓外延生长；三是材料缺陷识别、抑制及其影响机制；四是有效的可控的p型掺杂；五是低热导率引起的器件散热和自热；六是适合氧化镓器件发挥高性能的器件关键工艺和结构如栅氧化层、表面钝化、高压终端、低阻欧姆接触、电场调控结构等。
AGOA：请您介绍一下目前您团队对于氧化镓材料的研究进展和未来可能的研究方向？
目前依托西电建设的宽禁带半导体全国重点实验室和国家工程研究中心的主要研究方向之一就是氧化镓超宽禁带半导体材料与器件。我们在郝跃院士领导下，坚持从设备-材料-器件一体化布局的研究传统，研发了国产氧化镓外延MOCVD设备、Mix-CVD设备及其高性能外延材料，高浓度与高迁移率的N型掺杂氧化镓外延材料性能处于国际先进水平，研发了一系列高压氧化镓功率二极管、功率晶体管以及射频晶体管，器件性能近年来始终保持国际领先水平，包括提出的离子注入型、结型、PN异质结型等各种新型终端结构和3 kV、6 kV、8 kV、10 kV高压二极管受到国际同行的高度关注。同时围绕氧化镓散热难题，研发了碳化硅和金刚石衬底上氧化镓晶体管，为横向器件散热提供了解决方案。未来西电的氧化镓研究继续专注于大尺寸高质量氧化镓外延设备和外延生长、高压功率器件和高功率射频器件等前沿技术研究，同时与企业合作不断推进氧化镓材料和器件的工程化和产业化。
AGOA：从器件研究需求的角度，对于氧化镓衬底和外延材料供应，您觉得有哪些方面是需要提高和突破的？
从器件研究需求看，导电型氧化镓衬底一是需要提高n型掺杂浓度和迁移率，从而可降低氧化镓功率器件的寄生电阻和热产生，二是需要进一步增大氧化镓单晶衬底尺寸，并不断降低衬底成本。氧化镓外延材料需要进一步降低外延层背景电子浓度到1015甚至1014cm-3量级，同时具有高速厚外延能力，为氧化镓器件向10-100 kV等超高压指标迈进提供支撑，同时不断抑制外延层缺陷并提高材料均匀性。
AGOA：氧化镓从科研到产业化的过程中，有哪些方面是需要我们下大力气去解决的？
氧化镓从科研到产业化，与硅、砷化镓、碳化硅、氮化镓等半导体前辈一样，是技术推动与需求牵引双向发力、持续迭代的过程。在技术推动方面，已经突破的前沿关键技术需要不断提升技术成熟度，贯通从衬底、外延到器件的全链条高性能技术体系，实现性能超越碳化硅和氮化镓的典型工程化器件比如二极管或晶体管，把氧化镓的性能潜力变成可用的现实优势。在需求牵引方面，需要明确几个最先应用落地的示范性场景，比如消费电子或工业电子的高效电源模块、各类高端装备的高压电驱动或电推进模块等，通过超前应用示范来牵引氧化镓产业化。
氧化镓成本方面主要需要材料供应商来推动，为产业化提供高质量、大尺寸、低缺陷的衬底材料，进一步释放氧化镓的成本优势。同时也要持续开发更适合产业化的晶体生长方式，满足产业化的需求。外延方面需要提供更高的外延层厚度，更低的外延层浓度，同时要提高大尺寸外延的一致性和均匀性，这样才能达到产业化生产的要求。器件方面需要持续开发和优化器件结构和关键工艺，开发出适合于量产化的工艺方案，保证稳定的良率。同时还要考虑封装工艺的路线和解决方案，已满足产业化的需求。所以，产业化要考虑的不是某个单一环节的问题，而是整个产业链上下游共同协作的事情。这个过程肯定会有很多难题需要解决，所以还需要所有氧化镓的研究人员共同努力，一起去克服重重难关。
AGOA：在实现氧化镓产业化的过程中，会需要大量的技术型人才，在人才培养和储备方面，您有哪些建议？您觉得校企联合定向培养是否是一个不错的方向？
氧化镓产业发展与其他产业一样，需要人才先行，特别是急需要培养掌握核心技术、能够改变局面的高层次人才。对于氧化镓这种前沿战略领域，未来潜力巨大，当前急需针对性的加速培养一批博硕士等高层次人才，不能只考虑当前市场需求，需要人才培养走在市场需求，为未来需求储备人才。人才需要在重大科研项目攻关中培养，需要在真实环境的产业化环境中培养，因此国家各部委需要加大氧化镓领域的重大科研项目布局，不仅对核心技术攻关至关重要，对高层次人才培养更是至关重要，需要教育、科技、人才一体化系统布局。校企联合定向培养对于提升人才的创新实践能力和解决复杂工程问题能力是必可不少的，特别是依托宽禁带半导体领域的行业龙头企业联合培养人才是重要手段。
AGOA：对联盟的工作有什么意见或建议吗？
我国幅员辽阔，创新资源和产业资源在地域上相对比较分散，如何把分散的力量凝聚成团，构建高效协同的创新生态和产业生态，联盟可以发挥关键作用。所以，建议联盟在聚合国内外研究力量方面发挥更大作用，同时联盟可与相关国家级科研平台、行业学会等机构建立好协同机制。
