中国新材料研究前沿报告（2020）：先进半导体关键器件材料（三）

陈弘达1，缪向水2，张兴旺1，赵璐冰3

1中国科学院半导体研究所

2华中科技大学光学与电子信息学院

3第三代半导体产业技术创新战略联盟

4.作者在该领域具有启发性的学术思想及主要研究成果

4.1 作者在该领域具有启发性的学术思想

在先进半导体关键器件材料的研究过程中，要坚持需求牵引和技术驱动相结合，两头兼顾，注重关键硬技术，支持基础研究，支持“四基”（核心基础零部件、关键基础材料、先进基础工艺和产业技术基础）研究。加强以产品为目标的基础材料、设计、工艺、装备、封测、标准等国家体系化能力建设。需要以材料和器件物理研究为基础，材料制备为重点，器件研制为核心。根据具体的系统应用需求，从基础半导体能带理论和材料物理学入手，首先从理论设计所需要的针对不同性能器件的能带结构细节，利用半导体材料获得系统所需要的半导体器件实现系统集成，最终推动其他应用领域的快速发展和进步。例如，材料的组分、应力、界面和粗糙度等决定了器件最大尺寸、成品率、寿命、成像质量、成本、功率等诸多关键指标。针对高性能红外光电器件和高速电子器件的发展需求，需要不断利用能带工程和外延技术改进材料性质，将外延片表面缺陷降至最低，从而达到提升器件性能的目的。先进半导体关键器件材料的研发，旨在高质量低缺陷单晶衬底和外延材料生长、半导体材料可控掺杂、缺陷控制、器件结构设计以及共性器件工艺等关键技术方面取得原始创新和突破，建立一整套具有自主知识产权的新结构、新方法和新技术，为推动先进半导体关键器件材料的科学研究和实用化进程提供技术支撑。

对于第三代半导体材料，高能效、低功耗、高极端性能和耐恶劣环境的第三代半导体材料是顺应国家重大发展需求的战略性新兴技术。目前在衬底材料、外延缺陷控制、器件关键工艺和装备、应用模块稳定性、一致性等方面需要投入力量。

对于忆阻材料，在理论上发展和改进了DFT-1/2第一性原理计算方法，能够在小计算量下精确地给出半导体和绝缘体材料的电子结构，并且得出通道截面积的理论微缩极限为0.4平方纳米的结论，为HfOx等氧化物忆阻器的尺寸微缩和性能调控提供了理论指导。研发氧空位梯度分布型忆阻器，有利于氧空位导电通道的局域化和定向生长/断裂，指导了HfOx、TaOx和AlOx高性能忆阻器的研制。提出了低计算复杂度的完备忆阻逻辑算法，研制了“软件定义硬件”的忆阻算术逻辑运算单元，可实现完备的逻辑、算术、移位、增减等核心运算，为忆阻存算一体化开辟了研究新思路。

4.2. 作者在该领域具有启发性的研究成果

4.2.1.第三代半导体材料部分前沿技术实现突破,达到国际先进水平

第三代半导体与半导体照明作为“十三五”国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项的重要布局方向，在基础研究、共性技术等方面取得了一系列成果。北京大学宽禁带半导体中心团队实现了晶圆级无裂纹10 μm硅基GaN薄膜，位错密度低于6×107 cm-2，基于Si基GaN厚膜，通过红外反射和拉曼偏振光谱联合测量，克服了GaN强烈的剩余射线带导致的测量难题首次给出C在GaN中替代N位的直接证据；中科院半导体所团队在纳米图形蓝宝石衬底上，利用AlN的侧向外延作用，使穿透位错向空气隙方向弯曲并终止在空气隙的界面，位错密度降低3倍以上，IQE提升43.3%，EQE提升98%。通过脉冲MOCVD超晶格调制掺杂实现P型掺杂机理突破；南昌大学团队在黄光LED（570±5 nm）在20 A/cm2下功率效率26.7%，达到国际领先水平；南京大学团队研制出基于SiC基APD日盲紫外单光子探测技术的激光雷达原型机；山东大学团队掌握了自主的6英寸N型4H-SiC单晶衬底材料技术，微管密度降低到0.13个/cm2，达到国际先进水平。

4.2.2中科院半导体研究所是国内唯一拥有全套锑化物半导体材料研发产业链条的单位，建有国内领先的 InP 基光电子功能材料和器件的集成技术平台。

中国科学院半导体研究所是国内唯一拥有全套锑化物半导体材料研发产业链条的单位，通过多年的积累，半导体所先后突破了锑化物半导体材料与器件全链条核心技术。半导体所是目前国内唯一从事GaSb、InAs单晶衬底研制并实现批量生产应用的单位，供应了国内所有的GaSb衬底晶圆和90%以上的锑化物红外半导体外延材料。在自有衬底基础上成功研制出2-3英寸直径的覆盖0.5-20μm波段的锑化物半导体外延材料晶圆。在此基础上半导体所率先在国际上实现320×256以上规模的2-16 μm全波段覆盖单波段锑化物半导体光电红外焦平面芯片。同时研制出高性能的中波双色器件，中长波双色以及短/甚长波双色器件。                             

图4：半导体所生产的2-4英寸GaSb单晶衬底

图5：640*512长波红外焦平面探测器成像

半导体所InP/GaAs基光子集成技术研究组建立了具有自主知识产权、国内领先的 InP 基光电子功能材料和器件的集成技术平台，成功研制出宽带可调谐半导体激光器、全光信息处理集成器件、激光器阵列与无源合束器的集成芯片。研究组在光子集成芯片研究方面积累了丰富经验，并有小批量样品提供给科研机构、企业和国防部门使用，同时也在与企业合作进行高速激光器的批量生产。

4.2.3忆阻材料在理论、工艺、器件、应用等层面取得突破，形成国际影响力

华中科技大学信息存储及器件研究所是国内最早探索忆阻器的研究团队之一，自2009年起对忆阻器物理机制、原型器件及其类脑计算、存算一体化应用展开了研究，于2018年出版了首部中文忆阻器专著《忆阻器导论》，2019年成立了蔡少棠忆阻器研究中心，工作形成一定的国际影响力。提出了同质结氧化物忆阻器和氧空位梯度忆阻器的性能优化方法，提出了氧化物同质结性能优化方法，研制了W/AlOx/Al2O3/Pt器件，实现了迄今氧化物忆阻器最好的宽温区下稳定擦写次数，器件在100K、298K 和400K 下分别擦写了108、1010 和107 次，展现出高速（28 ns）、大开关比（103）、多值、良好保持特性等特点。在忆阻突触可塑性方面，团队较早在忆阻器中模拟了生物突触的活动时序/频率依赖突触可塑性、联想学习等认知功能。研究了忆阻突触器件在人工神经网络和脉冲神经网络中的应用，并提出了器件与算法协同设计的解决方案。在忆阻存算一体化技术方面，提出了低计算复杂度的完备忆阻逻辑算法，在反向串联忆阻器、交叉阵列、1T1R结构中实验验证，被同行引用至磁存储器、电荷陷阱存储器等存算一体化方案中；研制了“软件定义硬件”的忆阻算术逻辑运算单元，可实现完备的逻辑、算术、移位、增减等核心运算；还提出了忆阻多值逻辑、汉明重量计算加速器、欧氏距离加速器等新运算方案。

5.我国在该领域的未来发展重点

5.1.第三代半导体材料技术不断发展和迭代，创新周期不断缩短导致材料与应用越来越近，对产业的带动性越来越强

第三代半导体具备高频、高效、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，主要用于功率电子、微波射频和光电子等，是支撑下一代移动通信、新能源汽车、高速列车、能源互联网、国防军工等产业自主创新发展和转型升级的重点核心材料和关键电子元器件，在国家安全、国家经济安全和传统产业转型升级方面都起到核心支撑作用。

随着光电子技术的不断发展，不断催生Micro-LED、深紫外LED、半导体激光器、可见光通信等新兴产业，面临着与微电子技术的不断融合，以及面向光生物、光健康、光治疗等跨界技术的融合。沿长波方向已从蓝光拓宽到绿光、黄光、红光，开拓在生物、农业、医疗、保健、航空、航天和通信等领域应用；沿短波方向已发展高效节能、环境友好、智能化的紫外光源，期望逐步取代电真空紫外光源，开启紫外技术和应用的变革。

高耐压、高可靠和低成本是电力电子发展的方向。未来5-15年，在能源领域，开发出1.2kV-15kV高压大容量碳化硅器件，应用于兆瓦级的并网和配网电力电子装置；突破15kV-30kV高压碳化硅电力电子器件技术，并在特高压直流输电和柔性直流输电系统等领域示范应用，实现新增输电工程中材料、器件和装备的全面自主化。在交通领域，实现轨道交通和新能源汽车领域核心动力材料和器件的自主产业化。在信息领域，为下一代通讯系统、数据中心、移动设备等开发高效可靠供电系统，全面替代国外的核心材料和器件。

GaN功率放大器将成为移动通信基站的主流技术，正向高频率、大带宽、高效率快速演进，未来5-15年，面向5G移动通讯、物联网和公共安全等领域的迫切需求，构建基于国产核心射频GaN器件的全套解决方案，满足下一代移动通信市场需求，实现自主保障。

第三代半导体材料将持续引发关注，材料体系在不断演进与发展。金刚石半导体具有优异的物理和化学性质，被视为“理想半导体”，在微电子、光电子、生物医学、微机械、航空航天、核能等高技术领域均有广泛的应用潜力。同时，β-Ga2O3（简称为Ga2O3或氧化镓）也受到了国际上半导体功率电子材料和器件领域的极大关注，其制备成本低，有望成为宽禁带半导体的又一研发和产业化热点。

5.2.大面阵、高性能、多波段集成是锑化物红外焦平面探测技术的发展方向；建立光子集成芯片标准化研发、代工和产业孵化平台，实现与国际光子集成产业衔接、融合的光子集成研发力量。

锑化物材料方面：锑化物外延所需的衬底晶圆材料尺寸、质量等需要继续提高。首先衬底晶圆尺寸直接决定焦平面芯片的最大尺寸，也是单次生产过程可生产的焦平面芯片数量。其次，衬底晶圆表面粗糙度、缺陷密度和表面翘曲度直接决定了焦平面芯片成品率和寿命。第三，锑化物外延材料三维方向上的原子级组分、应力、界面和厚度控制技术同样决定器件最大尺寸、成品率、寿命、成像质量、成本、功率等诸多关键指标。器件方面：长波和甚长波、双/多波段、大面阵以及高温工作（150-200 K）的中波锑化物II类超晶格红外探测器，将是我国锑化物红外探测器的发展方向。总之，国内红外焦平面芯片与成像系统发展的首要任务是通过建立自主可控的高端GaSb、InAs单晶衬底与锑化物外延材料研发和制造体系，以保证国内红外焦平面芯片制造水平在短时间内达到第三代红外焦平面芯片性能指标，并进一步提升国内红外成像相关的技术装备性能。

光子集成方面，我国在学术界与国际先进水平之间的差距相对较小，欧美尚未形成压倒性优势力量，我国在此领域的跟进时机尚存。建议参考欧盟和美国模式，通过学术界引导、政府资助、商业公司参与的模式建立光子集成联合创新中心。利用5-10年时间，初步实现光子集成芯片标准化研发、代工和产业孵化平台，实现能够与国际光子集成产业衔接、融合的光子集成研发力量，向国内与国际用户提供光子集成芯片设计和原型芯片加工服务。并以此平台为依托，吸引国内外产业界开展商业化投资，实现区域规模化光子集成产业基地。多材料体系在光电子器件及其集成方面的融合，包括III-V材料与Si基、介质波导或者铌酸锂薄膜与硅和III-V化合物集成、二维材料与Si基和III-V化合物集成等，探索融合的机制以及实现方法，最大限度发挥不同材料体系的优势，从而发现融合中的新现象、新机理、新器件以及潜在的新应用。微纳光电子器件方面，探索衍射极限以下的，光电子材料的量子行为、微型谐振腔模式理论、电子与光子在微纳尺度的相互转换机制等。

5.3.忆阻材料将自底向上、自顶向下全面突破，跨层面协同创新，深刻变革人工智能、新型计算等领域

忆阻材料类型众多、物理机制多样、应用场景广泛，因此在机制、材料、器件、集成、新应用技术等层面都存在巨大的创新空间，跨层面的协同创新是切实可行的发展路线。

（1）忆阻器物理机制的探索

现阶段忆阻材料种类各异，电阻调控的微观机制仍无统一模型，导电通道的本质仍存争议，难以明确指导器件性能优化和功能设计，需要突破高性能材料第一性原理计算筛选技术和原子尺度微观观测技术。

（2）高性能忆阻器的研制

忆阻器会往尺寸微缩、低功耗、高速、高集成度、高可靠性、阻态精确调制等方向持续进步，但仍面临许多挑战，包括：较多材料体系与现有半导体技术不兼容、二值和渐变性能调控缺乏明确的理论指导、参数一致性问题、微缩极限不明、擦写次数有限等。

（3）忆阻器规模集成工艺

芯片化集成方面需要与半导体代工厂进行密切合作。与现有CMOS技术兼容的1T1R有源集成技术会是短中期内最为成熟的规模集成方案，需要开发低温后端集成工艺模块，提高工艺稳定性、一致性和可控性，提高集成良率，降低工艺成本。1S1R是提高平面集成密度的可行方案，二端选通管的性能提升、可靠性和可制造性是重要研究课题。

（4）超越冯·诺依曼计算范式的新型计算技术

与非易失存储器相比，存算一体化和类脑计算会是忆阻器的杀手锏应用。作为突破传统冯·诺依曼架构的新技术，需要跨学科、跨领域的交叉结合和思想碰撞，自底向上进行变革式创新，通过底层器件与上层架构、硬件与软件算法的协同探索，实现在新原理器件、新计算架构的突破。新的计算方法和架构应充分利用忆阻器的新特性，发挥忆阻器原位计算的能力，加速机器学习和科学计算；挖掘器件中离子和电子的输运行为，实现高生物似真性的人工神经元和突触，构建脉冲神经网络等智能计算和智能感知系统。

（5）新原理多功能忆阻器

忆阻材料丰富，在电阻转变行为之外，还展现出丰富的光电、磁电、铁电、机械等性能。因此，可以通过不同物理机制的协同工作，实现多功能耦合，是未来新型光电器件、可穿戴柔性电子等新原理器件的发展的重要思路。

参考文献从略

目  录

第一篇　总论/ 001 
第1章　我国新材料基础研究的现状、机遇与挑战/ 002 

第二篇　前沿新材料/ 015 
第2章　拓扑电子材料/ 016 
第3章　六元环无机材料/ 036 
第4章　有机光电功能半导体分子材料/ 064 
第5章　梯度纳米结构材料/ 082 
第6章　柔性超弹性铁电氧化物薄膜/ 098 
第7章　集成电路用碳纳米管材料/ 113 
第8章　新一代分离膜材料：二维材料膜/ 135
第9章　材料素化/ 154 

第三篇　战略新材料/ 169 
第10章　空间材料科学研究/ 170 
第11章　生物医用纤维材料/ 194 
第12章　钙钛矿发光、光伏及探测材料/ 211 
第13章　新型超高强度钢及其强韧化设计/ 229 
第14章　存储器芯片材料/ 247 
第15章　先进半导体关键器件材料/ 278 
第16章　热电能源材料/ 295 
第17章　燃料电池氧还原催化关键材料/ 314 

第四篇　基础创新能力提升/ 335 
第18章　材料基因工程关键技术与应用/ 336 
第19章　基于先进同步辐射光源的金属材料研究与创新平台建设/ 360 
第20章　基于透射电镜的原位定量测试技术及应用/ 388 

明日叙：热电能源材料。。。。