中国半导体十大研究进展候选推荐（2020-035）———超低开启大功率GaN微波二极管技术突破与快速产品化

1

工作简介

         ——超低开启大功率GaN微波二极管技术突破与快速产品化

微波二极管是整流、限幅、检波、开关等微波电路的核心器件。大功率微波二极管是当前微波传能接收端整流、抗大功率微波损伤限幅器等急需的核心器件。宽禁带半导体GaN在微波大功率方面具有得天独厚的优势，然而宽禁带带来的高开启电压、高位错密度带来的漏电大可靠性差等关键难题一直是制约GaN微波二极管发展的核心技术瓶颈，也是该器件发展公认的国际难题。

为此，西安电子科技大学郝跃院士团队提出了一种低功函数金属凹槽结构复合阳极的GaN肖特基二极管。一方面，基于凹槽侧壁GaN非极性面低表面势垒、凹槽侧壁GaN异质结界面低势垒、低功函数金属等物理特性的综合运用，实现了极低开启电压的GaN肖特基二极管；另一方面，由于该新型凹槽阳极结构器件的肖特基接触面与位错方向平行，避免了位错对肖特基接触特性的影响，实现了高可靠、低漏电、高一致性的GaN肖特基二极管特性。采用慢速低损伤刻蚀结合高温退火后处理，形成了深度30 nm、侧壁光滑的凹槽结构，并结合磁控溅射W金属阳极，实现了极低开启GaN SBD，开启电压降低至0.38 V，理想因子达到1.03，亚阈值摆幅达62 mV/dec，阴阳极间距4 μm下击穿电压大于200 V@I_R=3 μA/mm，正向饱和电流达800 mA/mm。基于该器件实现了5.8 GHz大功率微波整流电路，单管微波整流功率达到6 W，整流峰值效率高于70%，单管电路功率为Si、GaAs SBDs的50-100 倍，代表了微波大功率SBD和整流电路的国际最高水平。团队在一年左右时间内实现了从器件原型提出、关键技术突破到高可靠实用器件的快速产品化，成为国际首款GaN微波二极管产品（XTF245），填补了大功率微波SBD领域的空白，实现产品应用超过10万只，满足了国家重大战略需求。

图1.（a）GaN SBD正向导通图，（b）在5.8 GHz频率下Si、GaAs、GaN SBDs所能提供的效率和功率对比，（c）XTF245 GaN SBD产品图。表1：Si、GaAs、GaN SBDs产品参数对比。

相关研究成果发表于2020年3月的《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》（ Vol. 35, no. 3, pp. 2247-2252, March 2020），党魁为第一作者，张进成教授、周弘教授为共同通讯作者。

2

主要作者简介

第一作者党魁，西安电子科技大学2017级博士生。

研究方向是宽禁带半导体器件、电路及应用。目前在IEEE TIE、IEEE TPE、IEEE EDL等期刊共发表论文十余篇，其中以第一作者身份发表IEEE TIE、IEEE TPE各一篇。

通讯作者周弘，西安电子科技大学教授，博士生导师。

周博士一直从事新型半导体功率器件、微波器件以及逻辑器件的结构、工艺与机理研究，包括宽禁带半导体GaN肖特基二极管（SBD）与高电子迁移率晶体管（HEMT）,超宽禁带半导体β-Ga2O3和AlN SBDs与FETs等微波功率与电力电子器件，Si、InGaAs 亚10 nm节点的NC-FinFET、GAA。周博士在国际主流期刊和会议上发表学术论文80余篇，其中ESI高被引论文4篇。以第一或通讯作者在领域顶级期刊包括IEEE EDL、IEEE TED、IEEE Trans. on Power Electronics、IEEE Trans. on Industrial Electronics、APL等期刊上发表论文30余篇；以第一作者在半导体领域顶级会议包括VLSI和DRC上发表会议论文20余篇；研究成果被国际知名行业杂志《Compound Semiconductor》《Semiconductor Today》《Controlled Environment》《Nano werk》《Physorg.com》等近10余次报道，在国际会议做特邀报告或口头报告15次。

通讯作者张进成，男，博士，教育部长江学者特聘教授，国家万人计划领军人才，国家杰出青年基金获得者。

现任西安电子科技大学校长助理，科学研究院院长，宽禁带半导体器件与集成电路国家工程研究中心副主任。曾担任ICNS（2015）、DRIP（2015）、APWS（2016）等国际学术会议电子器件分会主席。从事宽禁带半导体、超宽禁带半导体等电子材料、射频器件、功率器件及电路研究20余年，发表高水平论文300余篇，出版学术专著3部，授权发明专利100余项，成果7次被国际杂志Semiconductor Today专题报道，在国内外学术会议做特邀报告50余次，获国家技术发明二等奖2项（排名第一和第二），省部级科技一等奖6项。教学成果获国家教学成果一等奖1项（排名第二）。

郝跃，男，博士，教授，中国科学院院士，微电子学专家，博士生导师。九三学社第十四届中央委员会常委和九三学社陕西省委主委、中国电子学会副理事长、国际IEEE学会高级会员。

郝跃院士是国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)"核心电子器件、高端通用芯片和基础软件产品"科技重大专项实施专家组组长、国务院第七届学科评议组(电子科学与技术一级学科)召集人、国家自然科学基金委员会信息科学部主任、高等院校电子信息类专业教学指导委员会主任委员、教育部科技委委员、国家重大基础研究计划(973计划)项目首席科学家、陕西省科学技术协会副主席、微电子技术领域的著名专家。他是第九、第十、第十三届全国政协委员和第十一届全国人大代表。

郝跃院士长期从事新型宽禁带半导体材料和器件、微纳米半导体器件与高可靠集成电路等方面的科学研究与人才培养。在氮化镓∕碳化硅第三代(宽禁带)半导体功能材料和微波器件、半导体短波长光电材料与器件研究和推广、微纳米CMOS器件可靠性与失效机理研究等方面取得了系统的创新成果。成果获得国家技术发明奖二等1项（2009年），国家科技进步奖二等2项（2008年、2015年），国家科技进步奖三等1项（1998年）；国家级教学成果一等奖1项（2018年）和国家级教学成果二等奖1项（2014年）；获得国家发明专利授权近百项；出版《氮化物宽禁带半导体材料与电子器件》、《碳化硅宽带隙半导体技术》、《集成电路制造动力学理论与方法》和《微纳米CMOS器件可靠性与失效机理》、《NITRIDE WIDE BANDGAP SEMICONDUCTOR MATERIAL AND ELECTRONIC DEVICES》等多部著作，在国内外著名期刊上发表学术论文500余篇；2010年荣获“何梁何利”科学技术奖。

3

原文传递

详情请点击论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/8821304

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

半导体学报公众号

微信号 : JournalOfSemicond

长按关注获得更多信息