全文刊載于《前瞻科技》2025年第1期“新材料前沿：技術(shù)創(chuàng)新與未來展望”
-副研究員
-第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟副秘書長(zhǎng)
文章分析了以金剛石、氧化鎵、氮化鋁等為代表的超寬禁帶半導(dǎo)體材料的主要特點(diǎn)及戰(zhàn)略需求，系統(tǒng)梳理了國(guó)內(nèi)外超寬禁帶半導(dǎo)體材料的主要技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展，提出了當(dāng)前待突破的關(guān)鍵技術(shù)問題和發(fā)展建議，以期為后續(xù)中國(guó)超寬禁帶半導(dǎo)體材料的發(fā)展提供參考。
超寬禁帶半導(dǎo)體材料憑借大禁帶寬度、高擊穿電場(chǎng)、低能耗等優(yōu)勢(shì)，在超高壓電力電子器件、射頻電子發(fā)射器、輻射探測(cè)器、量子通信和極端環(huán)境應(yīng)用等高精尖領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景，能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有半導(dǎo)體材料的不足。在軍用領(lǐng)域可望適用于高功率電磁炮、坦克戰(zhàn)斗機(jī)艦艇等電源控制系統(tǒng)，以及抗輻照、耐高溫宇航用電源等，可大幅降低武器裝備的系統(tǒng)損耗，減小熱冷系統(tǒng)體積和重量，滿足軍事裝備對(duì)小型化、輕量化、快速化與抗輻照、耐高溫的要求。在民用領(lǐng)域，可望用于電網(wǎng)、電力牽引、光伏、電動(dòng)汽車、醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)類電子等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)更大的節(jié)能減排效果，被認(rèn)為是未來支撐信息、能源、交通、制造、國(guó)防等多領(lǐng)域快速發(fā)展的重要基礎(chǔ)。2022年8月，美國(guó)商務(wù)部工業(yè)和安全局宣布對(duì)氧化鎵（Ga2O3）和金剛石（Diamond）這兩類超寬禁帶半導(dǎo)體材料實(shí)施出口管制，因?yàn)?ldquo;利用這些材料的設(shè)備顯著增強(qiáng)了軍事潛力”，認(rèn)為Ga2O3和金剛石“能夠在更快、更高效、更長(zhǎng)時(shí)間和更惡劣條件下工作，可能會(huì)改變商業(yè)和軍事領(lǐng)域的游戲規(guī)則”。
超寬禁帶半導(dǎo)體材料發(fā)展現(xiàn)狀
金剛石寬帶隙、極高硬度、超高導(dǎo)熱率、低熱膨脹、強(qiáng)抗輻射及耐酸堿能力，且在寬光譜范圍內(nèi)透光率高，使其成為極具潛力的半導(dǎo)體材料，在紫外/高能粒子探測(cè)、同位素電池、激光器、高頻高功率器件、太空領(lǐng)域用半導(dǎo)體器件等方面不斷取得技術(shù)突破并展示出了巨大的應(yīng)用潛力。金剛石的常見晶面取向有(100)、(110)和(111)，其中(100)面金剛石因生長(zhǎng)速率快、晶體缺陷低而被廣泛研究。此外，(111)面的金剛石摻雜效率更高、表面懸掛鍵密度更大，也展示出了氫終端金剛石電子器件的巨大潛力。同時(shí)，由于金剛石具有超高的熱導(dǎo)率（22 W/cm·K），可作為高質(zhì)量GaN材料外延襯底，有效地改善基于GaN基高功率電子器件性能，解決高電子遷移率的自熱效應(yīng)，從而增強(qiáng)器件的輸出功率、可靠性并延長(zhǎng)其壽命。日本、美國(guó)、歐盟等國(guó)家和地區(qū)在20世紀(jì)中葉開始對(duì)金剛石合成設(shè)備、材料及器件研究給予大力支持。20世紀(jì)80年代后，單晶金剛石的質(zhì)量顯著提升，隨后金剛石p型和n型摻雜技術(shù)也逐漸取得進(jìn)展，促進(jìn)了金剛石半導(dǎo)體材料和器件及其相關(guān)機(jī)理的廣泛深入研究。經(jīng)過幾十年的不懈技術(shù)攻關(guān)，國(guó)外已在金剛石外延設(shè)備、金剛石材料及核心元器件的性能指標(biāo)上取得了技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。美國(guó)的密歇根州立大學(xué)、德國(guó)奧格斯堡大學(xué)和日本佐賀大學(xué)等，通過改進(jìn)生長(zhǎng)工藝，不斷推動(dòng)金剛石單晶性能的提升和尺寸的擴(kuò)大。國(guó)際上的許多知名企業(yè)，如Element Six、Sumitomo Electric、Diamond Foundry等，也在金剛石單晶領(lǐng)域投入了大量研發(fā)資源，推動(dòng)了技術(shù)的快速進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。金剛石單晶材料主要通過高溫高壓（High Temperature High Pressure, HTHP）和化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition, CVD）方法制備。HTHP方法設(shè)備和維護(hù)成本高昂，且金屬催化劑的使用會(huì)不可避免地引入金屬顆粒殘留雜質(zhì)。此外，有限的單晶顆粒尺寸和高缺陷密度嚴(yán)重影響了晶體的光學(xué)和電學(xué)性能，極大地限制了HTHP合成金剛石的應(yīng)用范圍。CVD技術(shù)包括微波等離子體CVD（Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition, MPCVD）、熱絲CVD（Hot Filament Chemical Vapor Deposition, HFCVD）、直流電弧等離子體噴射CVD等。其中MPCVD由于其精確的生長(zhǎng)過程控制、清潔的沉積環(huán)境（污染風(fēng)險(xiǎn)?。?、大沉積面積能力及可控的摻雜能力，已成為制備高質(zhì)量金剛石薄膜的首選方法。拼接生長(zhǎng)及異質(zhì)外延兩種方案在近幾年均實(shí)現(xiàn)了2英寸（1英寸=2.54 cm）及以上晶圓的突破，成為CVD法制備大尺寸金剛石單晶的主流方法。拼接生長(zhǎng)通常將多個(gè)較小的金剛石單晶籽晶進(jìn)行規(guī)則排列形成一個(gè)拼接的大尺寸單晶片，CVD生長(zhǎng)獲得的外延層將籽晶逐漸連接為大尺寸金剛石單晶。2014年，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所采用馬賽克拼接技術(shù)，將24個(gè)10 mm×10 mm單晶片拼接成一個(gè)直徑5 cm左右的馬賽克金剛石晶圓，實(shí)現(xiàn)了英寸級(jí)單晶金剛石。異質(zhì)外延是采用非金剛石單晶材料作為襯底生長(zhǎng)金剛石單晶的技術(shù)，理論上可以實(shí)現(xiàn)與襯底相同尺寸的金剛石。在研究初期，研究人員驗(yàn)證了多種材料如Si、氮化硼（c-BN）、鉑（Pt）、鎳（Ni）、SiC、氧化鎂（MgO）、石英、氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ）等作為異質(zhì)外延生長(zhǎng)襯底的可行性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明銥（Ir）是目前為止最適合的異質(zhì)外延襯底材料或過渡層材料。2017年德國(guó)奧格斯堡大學(xué)在Ir/YSZ/Si(001)復(fù)合襯底上獲得了直徑約90 mm的單晶，厚度為1.6 mm、搖擺曲線(004)半高寬（Full Width at Half Maximum, FWHM）達(dá)到0.064°。2023年，Diamond Foundry報(bào)道了世界上首個(gè)4英寸異質(zhì)外延的單晶金剛石晶圓。日本佐賀大學(xué)于2023年成功開發(fā)了世界上第一個(gè)由金剛石半導(dǎo)體制成的功率器件，并與日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA）合作開發(fā)了用于太空通信的高頻金剛石半導(dǎo)體元件?？偛课挥跂|京的精密零件制造商Orbray成功開發(fā)了2英寸金剛石晶圓的量產(chǎn)技術(shù)。該公司預(yù)計(jì)將很快完成4英寸基板的研發(fā)。此外，由豐田自動(dòng)車株式會(huì)社和株式會(huì)社電裝共同出資的Mirise Technologies與奧比睿有限公司（Orbray）合作開發(fā)車載金剛石功率器件，目標(biāo)是在2030年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。Orbray還與英美資源集團(tuán)（Anglo American plc）合作，推進(jìn)其人造金剛石基板業(yè)務(wù)，重點(diǎn)開發(fā)用于功率半導(dǎo)體和通信的大直徑金剛石基板。該公司計(jì)劃擴(kuò)大其在日本秋田縣的生產(chǎn)設(shè)施，預(yù)計(jì)將于2029年首次公開募股。中國(guó)雖然人造金剛石總產(chǎn)量達(dá)全球95%以上，但主要為HPHT合成金剛石，相關(guān)產(chǎn)業(yè)中國(guó)已占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而各企業(yè)也在積極尋求產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。MPCVD方法由于其工藝可控，制備金剛石品質(zhì)高、雜質(zhì)少的優(yōu)點(diǎn)引起了廣泛的重視及研究。MPCVD金剛石逐步走出實(shí)驗(yàn)室開始產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。在國(guó)家科技計(jì)劃支持下，國(guó)內(nèi)金剛石材料及器件研究取得了一系列重要進(jìn)展，已開展相關(guān)研究的團(tuán)隊(duì)包括西安電子科技大學(xué)，西安交通大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，鄭州大學(xué)，北京科技大學(xué)，中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱中國(guó)電科）第十三、五十五、四十六研究所，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，山東大學(xué)，南京大學(xué)，大連理工大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，吉林大學(xué)等。通過不斷優(yōu)化MPCVD生長(zhǎng)技術(shù)，在高質(zhì)量、大尺寸單晶金剛石的制備上取得了顯著進(jìn)展。一些國(guó)內(nèi)公司，如中兵紅箭股份有限公司、河南黃河旋風(fēng)股份有限公司、河南省力量鉆石股份有限公司、河南四方達(dá)超硬材料股份有限公司等也在探索MPCVD法生產(chǎn)大尺寸金剛石單晶。但與國(guó)際先進(jìn)水平相比，在大尺寸襯底、高質(zhì)量材料、高效摻雜、高性能器件、高精度加工方面仍存在差距。2024年，西安交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了2英寸異質(zhì)外延單晶金剛石自支撐襯底的國(guó)產(chǎn)化。他們通過對(duì)成膜均勻性、溫場(chǎng)及流場(chǎng)的有效調(diào)控，提高了異質(zhì)外延單晶金剛石成品率。襯底表面具有臺(tái)階流生長(zhǎng)模式，可降低襯底的缺陷密度，提高晶體質(zhì)量。X射線衍射（X-Ray Diffraction, XRD）(004)、(311)搖擺曲線半峰寬分別小于91″和111″，為金剛石的半導(dǎo)體應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。另外，采用MPCVD技術(shù)，首次在Ir(111)/藍(lán)寶石表面實(shí)現(xiàn)單晶金剛石(111)面的外延生長(zhǎng)，并成功實(shí)現(xiàn)20 mm×20 mm(111)取向的異質(zhì)外延單晶金剛石自支撐襯底。通過掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）、XRD及電子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）表征，XRD(111)搖擺曲線半峰寬小于0.6°，證明金剛石(111)具有良好的單晶特征。2024年，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次采用激光切割圖案化工藝緩解金剛石層異質(zhì)外延生長(zhǎng)過程中的巨大應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了2英寸異質(zhì)外延自支撐金剛石單晶的制備，位錯(cuò)密度為2.2×107 cm-2。2024年，南方科技大學(xué)、北京大學(xué)東莞光電研究院、香港大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，在金剛石薄膜材料制備和應(yīng)用方面取得重要進(jìn)展，成功研發(fā)出能夠批量生產(chǎn)大尺寸、超光滑且具備超柔性金剛石薄膜的制備方法，這一成果在材料科學(xué)領(lǐng)域具有里程碑意義，并為金剛石薄膜的商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。隨著5G、6G通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和國(guó)防對(duì)電子信息技術(shù)的迫切需求，金剛石材料在半導(dǎo)體和高頻功率器件中的重要性日益凸顯，在實(shí)現(xiàn)超精密加工、智能電網(wǎng)、智能制造、下一代通信技術(shù)、雷達(dá)、星地互聯(lián)等國(guó)家重大戰(zhàn)略中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。6英寸及以上金剛石單晶襯底材料技術(shù)的工業(yè)化突破對(duì)于確保中國(guó)發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力、科技獨(dú)立自主、國(guó)防安全等方面至關(guān)重要。氧化鎵功率器件可滿足未來電力系統(tǒng)對(duì)電力電子器件高耐壓與低功耗的需求，成為下一代電力電子器件的最有力競(jìng)爭(zhēng)者。為了全面推進(jìn)Ga2O3材料與器件的研究，日本、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家均通過了一系列Ga2O3材料和器件的研究計(jì)劃。2014年，日本國(guó)立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)在其戰(zhàn)略節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃中啟動(dòng)了“β-Ga2O3肖特基勢(shì)壘二極管商業(yè)化開發(fā)”項(xiàng)目，旨在推動(dòng)氧化鎵功率器件的研究和商業(yè)化。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室為了進(jìn)一步提升軍用雷達(dá)、電子戰(zhàn)及通信系統(tǒng)中射頻器件及功率開關(guān)器件的性能，通過了一項(xiàng)歷時(shí)27個(gè)月的Ga2O3單晶材料制備研究的計(jì)劃。2016年1月，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)了與氧化鎵材料外延生長(zhǎng)技術(shù)相關(guān)的研究計(jì)劃，該計(jì)劃的提出，基于未來海軍戰(zhàn)艦上配備的電磁軌道炮、防空雷達(dá)系統(tǒng)及DDG-51驅(qū)逐艦推進(jìn)系統(tǒng)，均需要高壓、高效功率轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)所需功率密度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界其他國(guó)家從2016年到現(xiàn)在每年均有超過1 000萬美元投入氧化鎵材料和器件的研發(fā)。2023年9月美國(guó)防部宣布實(shí)施微電子共享計(jì)劃，將“高壓氧化鎵功率開關(guān)”列入重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵技術(shù)。日本也正加快氧化鎵產(chǎn)業(yè)化速度，布局多家日本行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)進(jìn)入氧化鎵領(lǐng)域。氧化鎵單晶能夠采用液相的熔體法生長(zhǎng)，并且硬度較低，材料生長(zhǎng)和加工的成本均有優(yōu)勢(shì)。Ga2O3單晶可以通過多種熔體法制備，包括浮區(qū)法、提拉法、導(dǎo)模法、垂直布里奇曼法、鑄造法、冷坩堝法等。導(dǎo)模法生產(chǎn)的4英寸Ga2O3單晶襯底已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商用，導(dǎo)模法、垂直布里奇曼法和鑄造法實(shí)現(xiàn)了6英寸Ga2O3單晶襯底技術(shù)突破，提拉法、冷坩堝法也成功制備出2英寸Ga2O3單晶。導(dǎo)模法、鑄造法、提拉法需要用到昂貴的銥坩堝，Ga2O3未來大規(guī)模商用化發(fā)展可能會(huì)受到成本的限制。而垂直布里奇曼法、冷坩堝法、浮區(qū)法不需要用到昂貴的銥坩堝，單晶生長(zhǎng)成本預(yù)計(jì)會(huì)大幅下降。日本和德國(guó)對(duì)氧化鎵單晶生長(zhǎng)的研究起步較早。2000—2006年，日本及德國(guó)學(xué)者利用提拉法、導(dǎo)模法率先成功制備出β-Ga2O3單晶。日本NCT股份有限公司作為β-Ga2O3襯底生產(chǎn)的引領(lǐng)者，在大尺寸、高質(zhì)量Ga2O3晶圓供應(yīng)市場(chǎng)上占據(jù)了統(tǒng)治地位，當(dāng)前占有全球90%以上的襯底市場(chǎng)份額。NCT股份有限公司2012年第1次實(shí)現(xiàn)2英寸晶圓襯底技術(shù)突破，2018年通過導(dǎo)模法量產(chǎn)4英寸β-Ga2O3晶圓，2022年突破6英寸β-Ga2O3晶圓制備技術(shù)，并于2024年宣布能夠采用更低成本的垂直布里奇曼法制備出6英寸β-Ga2O3單晶襯底。德國(guó)萊布尼茨晶體生長(zhǎng)研究所采用提拉法實(shí)現(xiàn)2英寸氧化鎵晶圓制備。相比美國(guó)、日本和德國(guó)等國(guó)家，中國(guó)在氧化鎵襯底、材料和器件方面的研究起步較晚，整體處于跟跑階段。近年來在相關(guān)部委的支持下，部分器件指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先，但在氧化鎵材料方面仍有差距。雖然目前中國(guó)氧化鎵領(lǐng)域飛速發(fā)展，涌現(xiàn)了多家企業(yè)，但整體產(chǎn)業(yè)鏈還不夠齊全，“單晶-外延-器件-裝備”工程化和產(chǎn)業(yè)化成熟度還不夠高。除了國(guó)家的持續(xù)支持引導(dǎo)外，也需要學(xué)術(shù)界、投資界及產(chǎn)業(yè)界各領(lǐng)域精誠(chéng)合作，面向氧化鎵產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)，協(xié)同攻關(guān)，迭代優(yōu)化。國(guó)內(nèi)多家科研機(jī)構(gòu)在氧化鎵材料和器件方面開展了系列研究，包括山東大學(xué)，同濟(jì)大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，中國(guó)電科第四十六、十三研究所，北京大學(xué)，吉林大學(xué)，西安電子科技大學(xué)，南京大學(xué)，北京郵電大學(xué)，中山大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)等。中國(guó)電科第四十六研究所2016年制備出2英寸β-Ga2O3晶圓，2018年研制出4英寸β-Ga2O3晶圓，2023年成功實(shí)現(xiàn)6英寸β-Ga2O3晶圓制備。山東大學(xué)采用導(dǎo)模法成功制備6英寸氧化鎵襯底。浙江大學(xué)2022年采用鑄造法成功生長(zhǎng)2英寸β-Ga2O3單晶；2023年制備出4英寸β-Ga2O3單晶；2024年突破6英寸β-Ga2O3單晶生長(zhǎng)。2024年7月，浙江大學(xué)孵化企業(yè)杭州鎵仁半導(dǎo)體有限公司在氧化鎵晶體生長(zhǎng)與襯底加工技術(shù)上取得突破性進(jìn)展，成功制備出3英寸晶圓級(jí)(010)Ga2O3單晶襯底，為目前國(guó)際上報(bào)道的最大尺寸。2024年10月，杭州鎵仁半導(dǎo)體有限公司基于自主研發(fā)的氧化鎵專用晶體生長(zhǎng)設(shè)備，并采用垂直布里奇曼法，成功生長(zhǎng)出2英寸的氧化鎵單晶，這是國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)技術(shù)突破。杭州富加鎵業(yè)科技有限公司及北京銘鎵半導(dǎo)體有限公司具備4英寸單晶生長(zhǎng)技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)2英寸單晶襯底商業(yè)化。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)氧化鎵缺乏有效p型摻雜導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型垂直結(jié)構(gòu)晶體管的難題，通過優(yōu)化后退火工藝實(shí)現(xiàn)氮替位激活和晶格損傷修復(fù)，研制出kV級(jí)氧化鎵垂直槽柵晶體管。這一成果發(fā)表于第36屆國(guó)際功率半導(dǎo)體器件和集成電路會(huì)議，為實(shí)現(xiàn)面向應(yīng)用的高性能氧化鎵晶體管提供了新思路。當(dāng)前，6英寸及以上無銥法氧化鎵單晶襯底材料制備產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的突破，需要設(shè)備和工藝相互配合，根據(jù)工藝優(yōu)化設(shè)備（包括熱場(chǎng)流場(chǎng)），再根據(jù)設(shè)備優(yōu)化工藝，多次迭代才能將材料的技術(shù)成熟度等級(jí)提升到更高階段。另外，包括氧化鎵、金剛石等超寬禁帶半導(dǎo)體面臨著雙極型摻雜難這一問題，難以制造同質(zhì)雙極型器件以同時(shí)滿足大電流和高電壓承載的要求。采取異質(zhì)結(jié)策略，構(gòu)建具有良好界面和能帶匹配的p-Diamond/n-Ga2O3二極管，是實(shí)現(xiàn)高性能超寬禁帶雙極型二極管的理想組合，有利于充分發(fā)揮超寬禁帶半導(dǎo)體在先進(jìn)電力電子器件的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所、鄭州大學(xué)、南京大學(xué)及哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)緊密合作，通過異質(zhì)外延界面調(diào)控和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功制備擊穿電壓超3 000 V的p-Diamond/n-Ga2O3異質(zhì)pn結(jié)二極管。該工作提供了一種兼具高耐壓特性、低導(dǎo)通電阻和高效熱管理策略的超寬禁帶半導(dǎo)體異質(zhì)pn結(jié)二極管的制造方案，將進(jìn)一步推動(dòng)超寬禁帶半導(dǎo)體在功率器件領(lǐng)域的發(fā)展。氮化鋁（AlN）晶體，以其超寬禁帶、深紫外透明、高熱導(dǎo)率、高聲速及高溫穩(wěn)定性等卓越特性，成為當(dāng)前半導(dǎo)體領(lǐng)域的關(guān)鍵前沿材料之一。作為直接間隙半導(dǎo)體，其最大禁帶寬度高達(dá)6.2 eV，使AlN成為AlxGa1-xN基紫外發(fā)光器件和探測(cè)器的首選襯底。基于AlN襯底的AlxGa1-xN紫外光電器件，覆蓋了200~365 nm紫外光譜的帶隙范圍，為紫外殺菌、生物醫(yī)學(xué)、紫外固化、紫外激光、紫外探測(cè)等領(lǐng)域開辟了廣闊應(yīng)用空間。另外，AlN憑借優(yōu)異熱導(dǎo)率、高表面聲波速度、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)及穩(wěn)定的物理化學(xué)屬性，成為高頻、高溫、大功率電子器件的理想材料之一。這些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)讓AlN在功率器件、射頻器件、壓電器件等領(lǐng)域，展現(xiàn)出了重要價(jià)值與應(yīng)用潛力。目前，主要有兩種方法用于生長(zhǎng)氮化鋁（AlN）單晶：物理氣相傳輸法（Physical Vapor Transportation, PVT）和氫化物氣相外延（Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE）。PVT法具有顯著的優(yōu)勢(shì)，其特征是生長(zhǎng)速度快，能夠有效獲得低位錯(cuò)密度的AlN單晶。一些研究機(jī)構(gòu)和公司已成功利用這種方法制備了2~4英寸的AlN單晶襯底。然而，PVT法也面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，AlN晶體在生長(zhǎng)過程中往往表現(xiàn)出多晶成分，這不僅降低了AlN襯底的有效可用面積，而且增加了晶體的脆性，使加工更加困難。其次，高雜質(zhì)濃度會(huì)降低AlN晶體在深紫外范圍內(nèi)的透射率，顯著限制了其在紫外發(fā)光和紫外光電器件中的應(yīng)用。最后，PVT法需要較高的生長(zhǎng)溫度，導(dǎo)致高功耗和對(duì)坩堝材料的特殊要求，這些因素阻礙了生產(chǎn)成本的降低。雖然自成功制備第1個(gè)2英寸的AlN單晶襯底以來已有近20年，但尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。HVPE技術(shù)是一種利用氣相外延制備AlN的重要方法，具有在低雜質(zhì)濃度下生長(zhǎng)AlN單晶的顯著優(yōu)勢(shì)，并能夠生產(chǎn)均勻的大尺寸單晶厚膜。通常，該技術(shù)在1 300~1 600 °C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行AlN生長(zhǎng)，生長(zhǎng)速度從幾µm/h到100多µm/h不等，使其特別適合制造高質(zhì)量的AlN單晶厚膜。近年來，一些世界領(lǐng)先的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)積極從事AlN的HVPE生長(zhǎng)研究，不僅在異質(zhì)外延和同質(zhì)外延方面取得了重大進(jìn)展，而且在自支撐單晶襯底的制備方面也取得了重大進(jìn)展。目前，HVPE技術(shù)通常采用異質(zhì)外延制備AlN，但這種方法不可避免地導(dǎo)致位錯(cuò)密度較高，這嚴(yán)重影響了器件的性能。盡管研究人員為降低位錯(cuò)密度做出了重大努力，但迄今為止取得的進(jìn)展遠(yuǎn)未達(dá)到令人滿意的水平。雖然目前的技術(shù)手段還不足以滿足這些要求，但通過異質(zhì)外延HVPE技術(shù)直接生產(chǎn)大尺寸的AlN單晶仍是一條值得嘗試的技術(shù)路線。國(guó)際上，美國(guó)Hexa Tech公司實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量2英寸AlN單晶襯底的小規(guī)模量產(chǎn)能力。日本旭化成株式會(huì)社旗下的美國(guó)Crystal IS公司在2023年宣布成功實(shí)現(xiàn)了直徑為100 mm的AlN單晶襯底的批量生產(chǎn)，這些襯底的可用面積達(dá)到99%；2024年發(fā)布實(shí)現(xiàn)4英寸單晶AlN襯底。由于AlN單晶材料的敏感用途（用于高性能紫外探測(cè)器），美國(guó)的AlN單晶晶片對(duì)中國(guó)實(shí)行禁運(yùn)。北京大學(xué)、山東大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、深圳大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海大學(xué)、中國(guó)電科第四十六研究所及奧趨光電技術(shù)（杭州）有限公司等機(jī)構(gòu)，均積極投入PVT法生長(zhǎng)AlN晶體的研究?；诖蟪叽缱丫Ъ夹g(shù)，實(shí)施同質(zhì)PVT的等徑生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了直徑達(dá)102 mm的AlN單晶，并得到了面內(nèi)尺寸超過82 mm的AlN晶片，(002)XRD搖擺曲線半寬小于300 (″)/s；實(shí)現(xiàn)了高紫外透過率的AlN單晶襯底，直徑為43 mm、厚度為150 μm的AlN襯底265 nm吸收系數(shù)小于10 cm-1，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。超寬禁帶半導(dǎo)體材料目前正處于前沿研究階段，高品質(zhì)、大尺寸襯底材料的制備是近期技術(shù)突破的重點(diǎn)，基于高品質(zhì)襯底生長(zhǎng)的外延材料將成為器件制備的基礎(chǔ)，攻克器件制備工藝技術(shù)難點(diǎn)將為超寬禁帶半導(dǎo)體廣泛應(yīng)用提供可能。作為最具有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的新型半導(dǎo)體材料，超寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展面臨著重大的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。當(dāng)前，金剛石半導(dǎo)體正在從研發(fā)階段推向?qū)嵱没?，在?dǎo)熱襯底、輻照探測(cè)器方面有一定應(yīng)用，但由于高質(zhì)量半導(dǎo)體金剛石材料制備、摻雜、加工、器件工藝等相關(guān)的科學(xué)和技術(shù)問題還沒有解決，金剛石的導(dǎo)電差且難以調(diào)控、晶片尺寸小仍是阻礙其半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題，金剛石半導(dǎo)體電子器件關(guān)鍵技術(shù)還沒有突破，應(yīng)用市場(chǎng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有打開。電子級(jí)金剛石產(chǎn)業(yè)化面臨的主要問題：一是金剛石的半導(dǎo)體級(jí)材料生長(zhǎng)設(shè)備需要構(gòu)建新型多目標(biāo)微波諧振腔優(yōu)化方法，針對(duì)大尺寸、高均勻及高等離子體密度進(jìn)行設(shè)備優(yōu)化，保證大尺寸下的高速高品質(zhì)生長(zhǎng)；二是金剛石的高效體摻雜激活和室溫高性能pn結(jié)的實(shí)現(xiàn)仍然是世界級(jí)難題；三是金剛石是超硬材料，要實(shí)現(xiàn)硅或碳化硅拋光片的面型和粗糙度，達(dá)到“襯底級(jí)”標(biāo)準(zhǔn)，金剛石的磨削加工技術(shù)也需要大力攻關(guān)。氧化鎵材料具有超寬的禁帶寬度、超高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)和抗輻照的優(yōu)異特性，成為推動(dòng)功率器件微型化、輕量化的關(guān)鍵半導(dǎo)體，將在門檻較低、成本敏感的中高壓市場(chǎng)率先出現(xiàn)，如消費(fèi)電子、家電及工業(yè)電源等領(lǐng)域。盡管氧化鎵單晶材料相對(duì)制備和加工難度低，但在電子器件方面還處于初始研究階段，仍有很多關(guān)鍵技術(shù)和科學(xué)問題亟待解決，如大尺寸單晶易開裂、材料低熱導(dǎo)率導(dǎo)致的強(qiáng)自熱效應(yīng)、p型摻雜難、載流子遷移率低及異質(zhì)界面缺陷多等系列問題，器件性能距離理論值還有很大差距。氮化鋁具有極高的臨界電場(chǎng)、高關(guān)態(tài)阻斷電壓、超低導(dǎo)通電阻、超快開關(guān)速度，以及耐惡劣環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，成為制備耐高壓、高溫電力電子器件的理想選擇，在汽車電子、電動(dòng)機(jī)車、高壓輸電及高效功率轉(zhuǎn)換等方面具有較大潛力。盡管AlN單晶在光電及高頻高功率電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，但其商業(yè)化生產(chǎn)仍面臨尺寸局限，目前主要停留在2英寸水平。同時(shí)，將自支撐AlN單晶從大型異質(zhì)襯底中精確分離出來，帶來了許多技術(shù)挑戰(zhàn)，需要在分離過程中精確控制各種條件，以確保單晶的完整性和優(yōu)異性能。當(dāng)前，超寬禁帶半導(dǎo)體的材料生長(zhǎng)和器件研制還處于初始階段，發(fā)達(dá)國(guó)家均瞄準(zhǔn)這一半導(dǎo)體領(lǐng)域的發(fā)展新方向積極投入力量，中國(guó)與國(guó)際水平總體相當(dāng)，差距不大。超寬禁帶半導(dǎo)體在單晶襯底制備、外延生長(zhǎng)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)筑、高效摻雜與導(dǎo)電調(diào)控、器件結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵工藝開發(fā)等方面還存在一系列關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。未來重點(diǎn)發(fā)展的研究方向主要包括：大尺寸、高質(zhì)量氧化鎵和金剛石單晶襯底材料生長(zhǎng)，氧化鎵、金剛石等半導(dǎo)體薄膜的外延生長(zhǎng)與性能調(diào)控，超寬禁帶半導(dǎo)體的n型和p型摻雜和高效激活，載流子遷移率提升機(jī)制和方法，高性能超寬禁帶半導(dǎo)體器件制備與異質(zhì)集成等。1）統(tǒng)籌發(fā)展與安全，啟動(dòng)專項(xiàng)支持，加大投入強(qiáng)度，推進(jìn)國(guó)家戰(zhàn)略導(dǎo)向的體系化基礎(chǔ)研究，全面系統(tǒng)布局超寬禁帶半導(dǎo)體在當(dāng)前美國(guó)對(duì)中國(guó)金剛石等超寬禁帶半導(dǎo)體實(shí)施精準(zhǔn)打擊、出臺(tái)新的出口管制辦法的國(guó)際背景下，應(yīng)盡快啟動(dòng)國(guó)家層面科技專項(xiàng)重點(diǎn)支持，通過目標(biāo)導(dǎo)向的有組織研究，聚焦核心材料與器件“短板”，系統(tǒng)解決超寬禁帶半導(dǎo)體大尺寸單晶襯底和外延材料生長(zhǎng)、器件設(shè)計(jì)和制備工藝、全套裝備和高精度加工等全鏈條的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，以保障中國(guó)在2025年進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)水平行列并實(shí)現(xiàn)自主可控，2035年中國(guó)在該研究方向上對(duì)美國(guó)技術(shù)封鎖形成戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)，適應(yīng)當(dāng)前半導(dǎo)體材料和芯片國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)的迫切需要。通過重大項(xiàng)目的部署，以打造具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)體系和產(chǎn)業(yè)集群為目標(biāo)，層層分解研究任務(wù)，發(fā)揮政府在基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的主體責(zé)任，同時(shí)激發(fā)企業(yè)在工程化和產(chǎn)業(yè)化研究領(lǐng)域的投入。2）探索以有公信力的第三方機(jī)構(gòu)牽引、銜接、組織各方創(chuàng)新力量，采用能夠根據(jù)形勢(shì)和任務(wù)不斷調(diào)整組織形式的柔性機(jī)制聚焦國(guó)家戰(zhàn)略，從產(chǎn)業(yè)需求及問題出發(fā)，以重大項(xiàng)目牽引，由龍頭企業(yè)牽頭、政產(chǎn)學(xué)研融合，以創(chuàng)新聯(lián)合體的形式組織聯(lián)合創(chuàng)新工程。依靠新型舉國(guó)體制，集中優(yōu)勢(shì)力量，系統(tǒng)思考和布局，促進(jìn)資金、人才、項(xiàng)目、基地等各類優(yōu)勢(shì)資源解決“卡脖子”問題，構(gòu)筑未來領(lǐng)先領(lǐng)域。在組織決策層面，統(tǒng)籌規(guī)劃，全國(guó)一盤棋，按照“職責(zé)與能力優(yōu)先”原則，分別確定細(xì)分重點(diǎn)領(lǐng)域的牽頭企業(yè)或牽頭研發(fā)機(jī)構(gòu)，集中力量聯(lián)合攻堅(jiān)。運(yùn)作執(zhí)行層面，重點(diǎn)支持供給側(cè)平臺(tái)（產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)共性技術(shù)及生態(tài)培育類平臺(tái)）建設(shè)，扶持關(guān)鍵戰(zhàn)略方向共性技術(shù)研究及科技生態(tài)建設(shè)；同時(shí)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究及中長(zhǎng)期科學(xué)研究，開展關(guān)鍵理論與核心技術(shù)攻關(guān)。3）通過創(chuàng)新政策、科技金融牽引，形成系統(tǒng)創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)國(guó)家信用對(duì)研發(fā)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈和資本鏈的拉動(dòng)，引導(dǎo)和整合社會(huì)資源投入應(yīng)用基礎(chǔ)研究堅(jiān)持“源頭創(chuàng)新-技術(shù)創(chuàng)新-成果轉(zhuǎn)化-企業(yè)培育”創(chuàng)新全鏈條。加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，圍繞創(chuàng)新鏈完善資金鏈，構(gòu)建科技資本鏈網(wǎng)。對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)質(zhì)企業(yè)和研發(fā)平臺(tái)進(jìn)行篩選，通過承接重大項(xiàng)目、基金投資等注入國(guó)家信用，在財(cái)政、稅收、金融、人才、法律、知識(shí)產(chǎn)權(quán)各方面得到政策支持。鼓勵(lì)企業(yè)與高等院校、科研院所建立前沿基礎(chǔ)研究創(chuàng)新中心，形成以企業(yè)為主體、高等院?？蒲性核榷喾搅α繀f(xié)同創(chuàng)新，培育新技術(shù)、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)、新模式。對(duì)企業(yè)開展相關(guān)基礎(chǔ)研究的經(jīng)費(fèi)投入給予更大力度的稅收減免激勵(lì)。鼓勵(lì)產(chǎn)業(yè)鏈上下游機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和技術(shù)聯(lián)盟等通過成立基礎(chǔ)研究基金、接受社會(huì)捐贈(zèng)、設(shè)立專項(xiàng)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、產(chǎn)業(yè)共性基礎(chǔ)研究專項(xiàng)等方式，圍繞產(chǎn)業(yè)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈等開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)提升應(yīng)用基礎(chǔ)研究能力。當(dāng)前，全球正在經(jīng)歷新一輪電氣化進(jìn)程。交通運(yùn)輸、大算力設(shè)施等新興應(yīng)用的快速布局，對(duì)更加高效、更加強(qiáng)勁的電能處理能力提出了迫切需求，這成為下一代電力電子系統(tǒng)研發(fā)的新動(dòng)力。因此，需要及時(shí)布局以超寬禁帶半導(dǎo)體材料為代表的下一代戰(zhàn)略性電子材料及其器件、電路、系統(tǒng)的具有前瞻性、系統(tǒng)性、應(yīng)用導(dǎo)向性的研究。超寬禁帶半導(dǎo)體的材料生長(zhǎng)和器件研制仍處于初始階段，發(fā)達(dá)國(guó)家均瞄準(zhǔn)這一半導(dǎo)體領(lǐng)域的發(fā)展新方向積極投入力量。中國(guó)與國(guó)際水平總體相當(dāng)，差距不大。超寬禁帶半導(dǎo)體在單晶襯底制備、外延生長(zhǎng)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)筑、高效摻雜與導(dǎo)電調(diào)控、器件結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵工藝開發(fā)等方面還存在一系列關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。中國(guó)經(jīng)過數(shù)十家高校及研究院所的努力，前期積累了大量的科研成果及工程化經(jīng)驗(yàn)，亟需針對(duì)該領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢(shì)和可持續(xù)發(fā)展能力，提前布局前沿方向，鑄造“長(zhǎng)板”優(yōu)勢(shì)，搶占發(fā)展先機(jī)，對(duì)提升核心科技自主可控、掌握國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)主導(dǎo)權(quán)、維護(hù)國(guó)家安全等方面具有重要意義。
（來源：前瞻科技雜志 作者趙璐冰、吳玲）
