专家访谈
【专家访谈】韩根全教授团队原创发明有效解决氧化镓功率器件散热瓶颈的先进技术，助力行业产业化！
2024-04-15
嘉宾介绍
韩根全，1979 年 4 月生，国家杰出青年基金获得者，西安电子科技大学二级教授、入选陕西省高层次人才、浙江省领军型创新创业团队负责人。本科毕业于清华大学，于中科院半导体所获得博士学位，之后在新加坡国立大学从事微电子器件研究多年。2013年回国，先后在重庆大学、西安电子科技大学、西安电子科技大学杭州研究院工作。韩根全教授在微电子方面取得了一系列重要研究成果：1）创新发明若干新型铁电材料，实现极化反转耐久性最高记录；2）创新发明高性能，低功耗FeRAM和FeFET存储和存算芯片，打破国外技术垄断；3）发明和发展了高迁移率GeSn沟道晶体管；4）原创发明离子刀技术实现晶圆级异质集成氧化镓材料和器件，可彻底解决氧化镓功率器件散热瓶颈。在微/光电子旗舰期刊和会议IEDM/VLSI、Nature Communications、IEEE EDL、AFM等发表文章超过300篇，申请/授权专利70多项，包括各类封面文章超过20篇。Google Scholar引用5239次，做国际会议邀请报告及综述超过30次。获得陕西青年科技奖、电子学会优秀导师奖、长三角-粤港澳大湾区集成电路创业大赛二等奖等，指导学生获得ICSICT、SSDM等多个国际会议最佳学生论文。目前担任IEEE Electron Device Letters编辑，《National Science Open》编辑，《半导体学报》副主编。
AGOA：请对所在团队、研究方向、研究进展及成果进行介绍
韩根全教授作为实验室主任在西安电子科技大学杭州研究院组建智能芯片与微系统实验室，聘请郝跃院士担任实验室首席顾问。目前实验室已有27名成员，其中包含4名国家级人才，半数以上成员具有UC Berkeley、The University of Tokyo、Warwick University、National University of Singapore、The University of Hong Kong等海（境）外名校博士学位或者联合培养博士学习经历，团队具备极强的学术创新能力、丰富的器件和芯片开发经验、强有力的团队凝聚力以及积极温馨的科研氛围。课题组立志为我国集成电路事业添砖加瓦，贡献智慧和力量。
研究方向：智能芯片与微系统技术
研究进展及成果：
1）针对氧化镓导热系数较低这一材料固有瓶颈问题，项目团队创新性提出高导热衬底异质集成技术，并实现SiC和Si基高性能异质集成β-Ga2O3 MOSFETs，对其结构设计、制备工艺以及器件电、热输运等物理机理展开系统性研究，相关成果发表于微电子领域重要会议IEDM和Science China Physics、Mechanics & Astronomy、IEEE Electron Device Letters/IEEE Transactions on Electron Devices等知名期刊上，相关技术成果已申请专利并且部分已获得授权。
2）针对Ga2O3目前缺少p型材料以及击穿电场和导通电阻相矛盾的难点，创新引入超结结构概念，基于p-NiO/n-Ga2O3异质结设计了表面电场降低结构（RESURF）和超结（SJ）结构β-Ga2O3 MOSFETs，并初步实现RESURF和SJ-β-Ga2O3 MOSFETs的制备。实验结果表明设计超结结构对器件电场分布重构，制备的SJ-β-Ga2O3 MOSFET相比于同尺寸常规结构器件在击穿电压、功率品质因子（PFOM）等关键指标上获得显著提升。该工作在IEDM 2021、IEEE Transactions on Electron Devices上报道，并入选The top ranked student papers of IEDM 2021。
3）针对广泛存在于功率器件的难点问题之一界面问题，开展了氧化镓界面优化研究。先后开发了低温氧退火界面提升方案、结晶AlGaO插入层优化方案以及复合钝化修复方案，对氧化镓表面缺陷以及氧化镓晶体管沟道界面缺陷进行修复和钝化，从而提升界面质量，极大降低界面缺陷密度，助力氧化镓功率器件综合性能的提升。部分成果以发表于Appl. Phys. Lett.、IEEE IEEE Transactions on Electron Devices等期刊。
AGOA：团队研究目前遇到的难点
氧化镓半导体优势突出，但将其应用于功率器件仍面临材料热导率偏低的瓶颈难题，严重制约了氧化镓功率器件工作性能。低热导率使得氧化镓器件工作时产生的热量无法从衬底得到有效耗散，从而导致器件结温急剧上升、性能严重退化。因此，低热导率已成为制约氧化镓在功率器件方向产业应用方面的最大瓶颈之一，也是国内外氧化镓技术研究攻关的核心方向。团队一直致力于解决氧化镓技术的散热瓶颈问题、推动氧化镓技术的产业化，围绕这个目标，团队以“氧化镓薄膜-高导热衬底”异质集成为出发点，结合氧化镓单晶材料特性，长期针对适用于氧化镓单晶的剥离-集成技术进行技术攻关。通过对离子注入剂量、键合方法以及剥离温度等关键参数进行协同优化，团队近期成功开发出一套专用于氧化镓单晶晶圆的智能剥离技术。该技术可有效将大面积、晶圆级单晶薄膜从氧化镓晶圆上剥离，实现“氧化镓薄膜-任意目标衬底”晶圆级异质集成。除去可实现氧化镓薄膜与高导热衬底集成这一重要目标以外，该技术在衬底材料不受晶格匹配限制、被剥离氧化镓晶圆可循环使用方面具有独特优势，可进一步发展更为复杂的高质量氧化镓薄膜结构和降低氧化镓使用成本。
基于该技术，团队首次在国际上基于碳化硅和硅衬底创新制备了大尺寸、高导热氧化镓异质集成晶圆，目前已成功实现2 – 4 英寸氧化镓异质集成晶圆。经系统表征，异质集成氧化镓薄膜晶体质量、电导率与氧化镓单晶衬底相当，薄膜转移率高于95%、厚度不均匀性小于2%、表面粗糙度低于0.2纳米，材料整体散热性能远优于同期报道的同质外延氧化镓薄膜，且接近于衬底材料（如碳化硅）的散热水平，基本满足产业化需求。
AGOA：看好氧化镓哪方面的发展潜质
氧化镓半导体器件具有超宽禁带、超高耐压阈值、优异的功率和射频特性因子等物性特征以及规模化量产潜力，可满足能源电子市场对于功率器件高效率、集成化、小型化、经济性这一发展需求。在异质集成氧化镓晶圆这一技术方案的基础上，氧化镓器件的散热瓶颈将被有效攻克，可以预期氧化镓晶体管、二极管等器件未来将作为核心电力电子元件在智能电网管理控制系统、大规模储能转换系统以及更为集成的汽车电子和光伏逆变等领域有着更高的应用潜力。
AGOA：校内培养人才的方向，如何更好的培养优质人才？
氧化镓产业属于泛半导体领域，涉及到材料、设备、制造等多个专门领域，对于学校培养在教学实践上的挑战较大。在培养人才方面，我认为应该把握住基础素养和创新能力两个方面。基础素养是基于行业基本知识对学生进行培养，同时兼顾广泛的学科知识，进行学生素养的培养；在这个基础上，对于有兴趣在这个行业内继续钻研下去的学生，进一步开展渐进式的创新知识培养，使得学生在获取基本素养的同时有机会成长为可以引领行业发展的关键人才。
AGOA：如何看待校企合作及产学研结合方式在氧化镓产业化发展中的作用
校企合作或者说产学研贯通式模式在未来一定会成为整个泛半导体行业的主流。氧化镓技术现在处于方兴未艾的阶段，在这个关键节点上，充分借助高校和研究院所的创新资源与产业需求相结合，可以在源头上保障氧化镓相关技术的先进性，更好地规划技术路线，推动产业良性发展。
AGOA：是否有需要成果转化的项目？
团队原创发明适用于氧化镓的智能剥离与异质集成技术，实现晶圆级异质集成氧化镓材料和器件，可有效解决氧化镓功率器件散热瓶颈。氧化镓异质集成晶圆可直接用于器件制备，在工艺复杂度和材料性能上优于块体氧化镓晶圆，该技术目前已通过小试阶段，可量产2-4英寸氧化镓异质集成晶圆，解决困扰氧化镓器件产业化已久的散热难题，该技术正寻求成果转化。
AGOA：更希望联盟提供哪些方面的支持？
建议增加公共交流平台，可以开展学者讲坛、学生分享和讨论论坛等线上交流渠道，使更多的人高效参与，为从业者提供更多交流机会，为初学者提供更多学习机会，扩大整体研究团队和关注群体。
