【专家访谈】郝跃院士独家专访：超宽禁带半导体的应用前景与未来发展

郝跃

中国科学院 院士

郝跃，中国科学院院士，国际著名微电子学家，西安电子科技大学教授和学校学术委员会主任，全国人大代表，中国电子学会副理事长。

长期从事微电子学与固体电子学的科学研究与人才培养，在宽禁带半导体材料与器件、微波和毫米波半导体器件、集成电路新器件和新材料等方面取得了系统的创新性成果。2013年当选中国科学院院士。

他目前兼任国家自然科学基金委员会信息科学部主任，国务院学位委员会电子科学与技术学科评议组召集人，教育部高等院校电子信息类专业教学指导委员会主任。

Q 陆敏 博士 《化合物半导体》杂志主编

A 郝跃 院士 中国科学院 院士

Q 那我们碳化硅就告一段落。实际上大家现在学界比较可能追求的一个方向，就是目前有人称超宽禁带半导体为第四代半导体，您同意这种说法吗？为什么？

A 我觉得第三代、第四代，我当年就说了，我们还是要从学术界、产业界还应该叫做宽禁带、超宽禁，这是依从国际惯例的说法。那么“第三代”这个名词，我一直讲，都是一个科普的说法，就是怎么跟老百姓说的更通俗易懂些，就把它就称为第三代。

其实现在整个半导体来讲，第一代还是主流，硅还是主流。我们90%以上的还是硅，硅材料，所以说这个第三代、第四代的称呼，尤其第四代，也有些专家企业家问过我合适否，我说你要成为一代材料，你必须要有产业背景支撑。如果说这些已经到产业化了，规模化了，那么我们说成为新的一代是可以的。

现在大部分都还是处于研究阶段，而且未来产业到底在哪些方面会有更新的突破。现在客观的讲，还有一段时期，这个可以值得等待，还有不确定性，你就叫做一代半导体，那么就意味着它已经是产业化，我认为对社会还是多多少少会产生一定的误导，误导呢因为一说第四代还以为很先进，然后呢我们的投资，政府开始在这些方面又开始关注了。

但是我认为它要真正到应用还会有相当的一段时期，所以我自己认为还是谨慎为好。你怎么称呼比较便于交流沟通，便于老百姓理解，同时或许也是为了便于融资的需要。

Q 还是有它的价值。你怎么称呼比较便于交流沟通，便于老百姓理解。但是一定要把这个为什么这么说的背景要给他说清楚

A 但是就是说这个往往你讲了，大家就觉得这个是大好时机来了。

Q 以为是第四代要替代第三代的大好时机来了。

A 于是给大家的一种信息上面不准确的东西，所以我觉得在这个方面还需要更加严谨一些。

Q 所以就需要郝跃院士多做这种科普的定义。

A 是的，也有很多专家都给我讲，我们就要大胆的讲第四代半导体。我说大胆是一个方面，但是你至少要看到我们有些材料，超宽禁带有些材料已经具备很强的，不是局部的，是很强的产业化的这个前景对吧？我们说在这种情况下，需要社会更多的关注，需要资本的更多的进入，这个时候我认为提出一个新的名词，这个可能有利于这个方面，但是如果说你时机不到，你提出来就可能给我们整个一个误导。

Q 就是宣传有必要，但是宣传必须要有度、有基础，是吧？

A 不是一个基础，就是时机很重要。

Q 好的，那我们知道氧化镓实际上目前在超宽禁带半导体中应该是最活跃的，实际上应该算相对比较成熟一点的。那请问目前在氧化镓这个领域主要还有哪些科学和技术问题？

A 氧化镓因为我们团队应该讲在国内甚至国际上搞得还比较早，到现在也就已经有4~5年甚至更长的时间了。

我说氧化镓它的优点是突出的，超宽禁带，禁带宽度4.6~4.8ev。但它有它的弱点，一个它是从晶体来讲，它是个单斜晶系。不像我们氮化镓六方、碳化硅立方/六方。再加上氧化镓跟碳化硅一样，它是多型，现在这个大家普遍认为就是说β型的做起来相对稳定，像α型的也有，像碳化硅就更多了，200多种晶型吧。

这种情况下，我觉得如果说要讲哪些方面我们还比较欠缺的话，第一，我觉得这个衬底材料需要高质量的衬底材料，需要不断突破，国际上也就是有几家公司吧，日本几家公司能做，国内做的时间比较早，但是质量都一般，这是第一个方面吧。第二个方面还要解决氧化镓导热问题，因为氧化镓的热导率太低了。

Q 好像比硅都差吧？

A比硅都差，甚至比很多介质都差啊。所以说它的这个热导率是必须要解决，就是散热问题要解决，散热问题如果解决不好，它的这个作用就发挥不出来，我们前期在这些方面都做了很多的工作。

然后再下来氧化镓的p型掺杂，氧化物半导体都有这个问题，氧化锌、IGZO包括氧化镓p型掺杂都很难，当然氮化镓当年p型掺杂也是不容易的。因为宽禁带嘛，任何杂质进去大部分能级都太深了，所以它这个在常温情况下要电离很难，要激活很难，所以这种情况下，p型掺杂，也是一个值得关注的。如果p型氧化镍拿来做一个异质结，现在目前也有这种办法，甚至PN Junction也是可以做，p型就是氧化镍，n型就是氧化镓。

Q 就是这样一个变通的方法，那性能呢？

A 性能现在看样子还不错，有氧化镍，还有别的也可以发展更多的材料，这个都是在研发阶段，潜力还是有的，但是就是这个难度还是很大。

总的来讲，在这些方面的都是需要重点关注。器件本身来讲，现在的进展很快，就器件现在进展的是最快的，功率密度、集成电压等，可以讲，每天都在做，都在进步。器件还主要是在学术界，paper我都在比较关注，这个进展是很快的，全球都在关注，当时我们做的时候也没太多的关注，甚至学术界都觉得不大可能，散热是这种情况下怎么可能呢？但是随着后来我们有些工作，觉得这个散热问题，我们把它转移到硅衬底上或者碳化硅衬底上，觉得还不错，还转移到金刚石，金刚石因为成本太高了，这个就是说即便是学术可以转移到金刚石，未来应用也是个门槛，因为成本，除非在一些特殊的超大功率的这种应用，一般的这个量大、面广的，还得需要低成本的，所以说转移到硅和碳化硅还是一个很重要的一个方面。

Q 好的。那实际上都在发展，不管是材料还是器件，当然材料肯定是需要首先解决的，那您在再往后推，在应用层面，大家实际上市场关心的就是应用。因为现在这些应用场景实际上都有其他材料所占据着，就是您觉得这个氧化镓最有可能首先会出现在哪个应用场景，或者说对应到氧化镓是哪个功率等级，哪个电压，哪个电流的场景当中？

A 我认为氧化镓最有可能的就是第一步肯定是二极管，直接跟碳化硅形成竞争，就是跟碳化硅的SBD，替代它的部分，因为它的导通电阻更低一些，所以这个直接会在很短的时间内，我估计就会有一个这个方面的市场，这个就是我相信无论是高压的还是这个低的损耗的，都会是在二极管方面。后来肯定是在电力电子的三极管方面，现在我们也尝试做微波，比如说它的这个频率也能做到几十G的频率，这是很好的。比如说去年我们IDM有篇文章就是氧化镓做的微波。

Q 它有什么（优势）？

A 它是导通电阻低、损耗低，因为频率特性还不错，但是它目前弱点就是，它的电流还比较小，功率还做不上去，但它的损耗确实很低。

Q 损耗低，就在小功率领域

A 对，因为微波嘛，损耗低了，就意味着它的这个效率高，所以在我们微波领域特别关注效率，到底这个转换效率能达到多少，这个是很重要的。

Q 好的，那我们知道现在的氧化镓衬底实际上业界都认为它是熔体法，可能会做得很便宜，当然实际上还没那么容易吧。

A 对，没那么容易

Q 所以在这么一个背景当中，做器件，实际上还有同质和异质外延不同的路线，那您怎么评价呢？

A 我觉得现在做器件要真正的要把它做到产业化，要大规模的产业化，还是同质的，这个就是说在同质上面来做，异质反正就是说蓝宝石现在也可以做一点，这个质量肯定不如同质的。现在就是说用同质的衬底，然后把它剥离，然后转移到其他衬底上。

Q 因为同质毕竟它这个外延品质好。

A 不仅是外延，就是转移来讲，也是同质的要好很多，要真正做器件，同质的质量还是好很多的。

Q 那您认为异质外延氧化镓，会有前途吗？

A我自己认为反正学术上可以做一做，产业上这个有一定难度，现在很多都是ALD、MOCVD异质上面长了很多，主要是蓝宝石上面长了不少。都在讲质量不错，但是我就说这个质量不错，最终还是要靠器件来说明。

现在主要拿来做探测器的多，就是做深紫外探测器的比较多，这个因为探测器对材料的要求就没有那么高，还属于光电，它主要是吸收，主要吸收光能够产生一个压差就完了，那么真正要做电子器件，就是拿异质外延做器件的，做的好的比较少。

Q 好的，那实际上在超宽禁带的领域，实际上我们知道还有氮化铝，铝镓氮，金刚石，当然这三个相对滞后一点。那您也大概评估一下这三个方向。

A 因为当氮化铝和铝镓氮，总的来讲我们都叫做III-V族。其实我们现在做的氮化镓器件也都是用这个势垒层，有大部分都是用铝镓氮。那么用铝镓氮拿来做衬底，我相信你问的问题是，不是做这个势垒层，是要做沟道，叫做沟道层。

铝镓氮做沟道层，我认为学术上可以研讨，因为铝镓氮的最大优势就是它的禁带宽度宽，它比氮化镓宽。那么这个是它的优势。但它的弱势就在于它是三元，三元往往做沟道材料，它还会碰到很多的难题，比如说它的组份不均匀，这样就会形成额外的散射。

所以在这种情况下，你说铝和氮、铝和镓组分到底是零点几，其实不同的地方它就有不同的不均匀性，因为你拿来做势垒层没关系，那只是对电荷的调控，问题不大，但是你真正拿来做这个沟道，那么它就会引起这种组分不均匀带来的一些散射，所以说这个呢我认为学术界可以做，我自己认为三元的拿来直接做衬底还是有挑战，当然了，就说那么IGZO也可以，四元的都可以，但是我认为元越多，它的组份的不均匀性也就越复杂。

铝氮我觉得未来是可期的，但铝氮的最大好处是它的禁带宽度6.2 eV，但是正因为那么大，碰到了很多的问题，掺杂是问题，欧姆接触是问题，另外铝的氧化也是问题。你要真正拿来做这个东西，铝的含量高了以后，它容易氧化，所以氮化铝的衬底为什么外延起来难呢？就是说天然有一层三氧化二铝，就必须要把它去掉，才能再进一步工艺。这些都是挑战，尤其是欧姆接触，必须再生长，再生长欧姆接触层，如氮化镓，或者再生长铝镓氮，然后中间这部分做器件的这种用氮化铝，这是第一个部分。

第二，氮化铝，总的来讲，它的迁移率还不够高，比氮化镓的迁移还差很多。但它的优点，就是说它的禁带宽度越宽，损耗越低。金刚石，这几个方面我们都在做。金刚石的最大优点，散热好，所有的这个材料就是金刚石散热是最好的，热导率很高。那碰到的问题就是它原子序数太低了，所以它的键能太强，所以说它这个掺杂是很难，他不是说掺杂什么，关键要形成替位，难度比较大。

再一个就是说它无论是n型和p型进去以后，它的激活率都相当高，所以说搞体的很难。现在就是比如说用氢终端、硅终端，那么形成一个二维空穴气，现在这个是主流。现在我们也在这个方面做了很多的工作。我们现在就希望我们能够找到一种n终端，就是二维电子气，那就很好。

Q 实际上金刚石反而是这个n型掺杂难。

A n型掺杂难，p型掺杂虽然简单，但是一般情况下也很难，硼在里头也有几百个meV，，一般100以下还好，几百激活率就下来了，比如三五百。所以说这个激活率就太低了。

Q 那实际上大家都说金刚石都被称为终极半导体，那您怎么评价这个？

A 我认为是对的。因为金刚石它确实攻克以后，能解决很多问题，我只能说解决一般情况下不会用的，只会就在一些极端情况下，超大功率。这个就要求在超大功率这种情况下它的温度也不能高，我认为这个终极半导体是对的，这种情况下我还是比较期待，最后金刚石如果能突破，那么我们这个真正的这个大功率低损耗就是可以能够实现。

Q 那或者说终极半导体，您觉得碳替换硅，有可能延伸到微电子领域，逻辑领域吗？

A 这个问题就是说的更敏感的话题了，一般我都不愿意讲太敏感的话题。既然您问了，我就这么讲，我认为一个产业要把它从一种材料变为另外一种材料，尤其是大规模的这个产业，这个难度都是非常大的。就是你问我，碳能不能代替硅，对吧？那么应该讲，硅集成电路到今天已经六十几年了，到今年66年了。

国际上在这个里头人力、物力、财力，我认为没有任何产业投入有那么大，我要把它替换成别的材料，你一定是他确确实实走到无法再走的程度，才可能。凡有一点可能我认为都不大可能有别的材料来替代它，作为补充是可以的。

就是额外的补充，异质外延在上面，现在尤其是异质外延比较多了，那么可以在上面就是做一些补充是可以的，比如说Memory，比如说一些End Connection，都是有可能的。但是要说完完全全不要硅，不要硅器件，不要硅的IC，完完全全用其他材料我认为到目前为止，这个技术路线并不明朗，未来是不是明朗的。

Q 对，因为硅现在摩尔定律还在往前推。

A 各种办法都在完成。

Q 这个我看他们都计划到1纳米了。

A 但是你要算这个东西，我经常说集成电路为什么能够器件尺寸无限的缩小，而且光的器件为什么缩不小，就光电子的器件为什么不能缩小？大家可能觉得我光的集成电路，当然说到光集成电路，也许有些专家又觉得郝老师是不是不该多评论光的这个集成电路，但现在不是光子集成，不是也是一个很重要的硅基光子嘛。

我认为你无论哪个方面都跟它的基本粒子的波长有关系，它的尺度跟它波长是有关系的，你不能违背这个规律。

现在你用光来做器件，那么光子的波长，现在比如红外波长是一点几个微米。我们当中的光通讯的一点几个微米，就即便是紫外，目前的紫外激光，比如193纳米，就哪怕是极紫外，你做出来13.5个纳米，那至少还是在十纳米级。那么电子为什么都不考虑这个问题，所以它再集成，你不能比波长都要短。所以说器件尺寸跟波长是有关系的。电子的德布罗意波长是零点几个纳米，就物质波的波长是零点几个纳米。

好了，人类已经开始在硅上面考虑零点几个纳米了，如果说我客观讲，用别的材料也可以去算算别的材料的电子的德布罗意波长是多少，那么你就可以知道我们人类的极限是多少了。这个规律总是不能突破的。

Q 这是物理的第一性原理。

A 所以这种情况下，光的集成1000多个器件，1万个器件就是超大规模了，但是你集成电路现在是1,000亿个。在一个IC上1,000亿个那个transistor。那么所以说这个差距是从1万到1,000亿个，所以你说两者之间怎么来比。

Q 那这就衍生一个问题了，实际上我们现在都是讲这个微电子领域的研究或者应用的是电子，电子当然它实际上也带来另一个问题，就是功耗还是个问题。所以将来现在不都在提解决功耗的问题。解决功耗的问题就是用光子计算吧，量子计算、光子计算那背后不就是光计算机、量子计算机，它的功耗可以做下来，但是听您这么一讲它的尺寸很难做小对吧？

A 尺寸很难做小，功能很难做得很大。

Q 所以那您怎么评价将来量子计算这条路线跟我们现在的这个传统的微电子路线？

A 现在的量子计算的几条路，因为我不搞量子计算，所以因为在长期在基金委对这些方面也有听过很多次了。因为不做量子计算，我认为量子计算现在有几条路吧，一条路就是超导，还有一个就是用光。

因为我认为用光的这个办法，它的这个要作为产业化难度很大，就纯光的这么一个技术要做产业化，还是觉得主要是尺度的问题，那个系统大的不得了，那个做产业化难度还是很大，但是解决一些特殊问题、特殊应用还可以。

Q 特殊应用没有体积限制的大小。

A 那么做超导量子计算，这个我认为未来还是有很重要的前景，所以国际上包括IBM、Google反正都在做超导量子计算。国内也有做超导量子计算，超导量子计算其实主要在低温，要这个多少个mK，实际上也很麻烦。后来我来想，如果我们电子你给它降到低温mK级，那不是也很好嘛。当然了不需要降到那么一个阶段。

Q 低温下那电子的波长也就降低了。

A 对，所以我在推一个在电子方面的低温电子，就是怎么就集成电路，低温情况下，温度稍微低一点，还可以把它的极限进一步推，还可以把它ability再往前面再增加一点，也是一条路。

所以这个我觉得大家都在努力，未来我认为量子和电子会慢慢会替代一部分，我认为最好的方式是现在的超大型量子计算机和大型的电子计算机，超算。

量子可以在一些特殊的比如说矩阵运算、向量运算方面可以去替代一些现在电子计算机，比如说现在的整个计算量占比，可以说5%由量子来算，95%还是电子来算，慢慢移，就看你这边能发展的多快，慢慢移，看有多通用。

现在因为都很专用嘛，主要是向量，慢慢的最后能不能10%、20%，这样的话一步一步的，叫做电子量子融合。

Q 这个如同材料之间的竞争一样

A 电子量子融合，这样来破解我们高算力、AI、大数据这些的发展，我认为这个是有可能的。否则再搞几年量子，你老不应用，这个产业界也慢慢越来越失去耐心，所以说现在已经到了这么一个阶段。

Q 所以说没有一个通吃的，都是适合你的场景。

A 因为一个产业，除了科学技术来讲，还有市场、还有成本、还有老百姓的这种心理承受能力。当年LED出来，你说你节能，老百姓说我就不买，你太贵。你再节能，我都觉得不用，跟现在汽车电子也一样，说碳化硅很好，氮化镓很好，为啥？

但是贵所以我宁可用硅的，硅的便宜，虽然它的能耗高一点，但是在老百姓的脑子里头，开车的脑子里头，这个没有直接体现，体感不太强烈，但是你要他用那么多的钱去买，他马上就能体会到，因为我用了碳化硅，我用了宽禁带半导体，所以我要提高这个价格，那老百姓就觉得那我宁肯低一点的价格也够我用，跟这个LED当年是一样的，你必须要把它价格压下去，市场最重要还是靠成本说话。