半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体产业是信息时代的基石，支撑了整个社会的信息技术发展和进步，进而改变了生活、生产、交往和思维方式。一般来讲，第一代半导体材料特指硅材料，第二代半导体材料特指砷化镓材料。近年来，以氮化镓/碳化硅（GaN/SiC）宽禁带半导体（禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要决定于半导体的能带结构，即与晶体结构和原子的结合性质等有关）为代表的第三代半导体材料受到了世界各国政府、产业界、研究界的重视，得到了迅猛的发展。第三代半导体材料具备耐高压、高频、高效、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，是支撑新一代信息技术、节能减排和智能制造的“核芯”，可以用来制备高压大功率器件，在消费电子、工业驱动、农业机械、电力传输、轨道交通与军事应用等众多领域具有广阔的应用前景。我国对第三代半导体的研究高度重视， GaN和SiC半导体器件同步列入了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》和“十二五”规划纲要所重点支持的“新一代信息功能材料及器件”和“战略型新兴产业”。

       南方科技大学电子系教授于洪宇是微纳电子元器件方面的专家，2011年回国加入南方科技大学，结合国家，特别是深圳市具体行业产业需求，组建并依托“深圳市第三代半导体器件重点实验室”，积极进行氮化镓功率器件、氮化镓传感器与高性能片式陶瓷电容器（MLCC）的研究。

大块头的电源适配器也能如此“袖珍”

       功率导体器件是电力和子技术的基础，功率器件通常在高压、大电流条件下工作，应用极为广泛，是半导体行业中仅次于大规模集成电路的另一大分支。研究和开发高效节能的新型功率半导体器件可推动产业整体升级，降低器件的功率损耗，实现节能减排和绿色碳发展。以氮化镓（GaN）为基础制备的开关功率器件具有比硅（Si）更高的击穿电压和更低的导通电阻（器件通电时两端的电阻），是先进的电力电子元件的理想材料。

       于洪宇团队在氮化镓（GaN）功率器件及封装技术方面进行了大量的研究，并取得了一系列创造性的工作。目前已在CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体）兼容工艺平台上开发出600V D-mode HEMT（High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管）器件（图1至图3）；并基于氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管器件，研发出尺寸规格为54 mm×29 mm×22 mm（仅为同类产品体积的28%）、效率高达93%的65W（瓦）袖珍电源适配器（图4）。

       在GaN功率器件中，最能体现GaN材料优势的就是AlGaN/GaN（氮化镓铝/氮化镓）高电子迁移率晶体管（HEMT）。GaN HEMT的高电子迁移率来源于AlGaN/GaN界面由于极化产生的二维电子气（2DEG，指电子气可以自由在二维方向移动，而在第三维上受到限制的现象）。2DEG的存在可以显著降低器件的导通电阻并提高器件的使用频率，但也正是由于2DEG的存在，沟道一直处于导通状态，不利于实际应用。因此，如何制备增强型（常关型）的GaN HEMT成为了当前GaN HEMT产业亟待解决的问题。于洪宇团队着眼于增强型（常关型）GaN HMET器件进行研究，采用创新的器件结构实现器件正向阈值的目的，相关工作已申请PCT专利。

图1.  6寸GaN on Si HEMT器件照片

图2. (a) MIS-HEMT结构；(b) ，(c) 单指/多指器件光学显微图像

图3. 0.25 mm沟道宽度的600 V Si基GaN HEMT器件的典型输出特性和转移特性

图4.  65W袖珍电源适配器

尾气、害气、毒气检测的“小能手”

       现在信息技术的一个重要应用场景，物联网技术离不开传感器技术。气体传感器在生活以及工业界有着广泛的应用，从生活中的汽车尾气，装修有害气体检测，到工业生产中的废气残留检测，实验室中毒气泄漏检测，再到科研领域的气体浓度测量。因此气体传感器具有很高的研究价值和庞大的市场。

       然而，对于传统的硅基传感器，只能应用在低于350℃的情况。GaN具有高禁带宽度，可以忍受更高的温度，也可以在更恶劣的环境下工作。同时通过在氮化镓(GaN)衬底上淀积铝镓氮（AlGaN）层可以形成二维电子气（2DEG），这有利于提高输出电流，进而提高传感器的检测极限和灵敏度。因此，于洪宇团队联合电子系汪飞教授与国际一流研究团队以及公司合作展开氮化镓HEMT的高温气体传感器的相关研究，该研究紧扣市场需求和社会绿色发展需要，具有良好的前景。

图5. GaN基气体传感器结构图及原理

图6. GaN基气体传感器时间响应曲线

“它”是iPhone X、特斯拉的核心元件

       片式多层陶瓷电容器（Multi-layers Ceramic Capacitor，MLCC）是一种新型、微型化、片式化的高精度电容器，是片式容阻感元件（片式元器件是无引线或短引线的新型微小元器件）中用量最大、发展最快的核心元件。作为电子信息产业最为核心的电子元件之一，MLCC被广泛应用于印刷线路板（PCB）、混合集成电路（HIC）的表面贴装技术（SMT）装配中，实现了电子产品整机的小型化、数字化、多功能化和高性能化，对整个信息产业的核心技术更新换代具有决定性作用。

       从2016年全球MLCC市场应用来看，手机领域占比最高，为 29.97%，其次分别是计算机、家电、汽车领域。如，每台iPhoneX消耗的MLCC预计1000颗起，而汽车电子化使得电动汽车消耗的MLCC达到每辆车5000颗起，最新无人驾驶的特斯拉（Tesla）纯电动汽车，MLCC用量甚至达到12000颗。近年来，MLCC在DC/DC变换器电路、电荷泵变换器电路中也得到广泛应用。这些电源电路中的工作频率已达1～3MHz，该频率范围内MLCC具有低能量损耗、低纹波电压，高转换频率等优良性能，而且体积小，成本低，可取代钽电解电容器，有利于便携产品的小型化和轻量化。作为中国乃至世界重要的电子产品聚集地，深圳聚集了国内外一大批电子信息业的巨头：华为、中兴、IBM；同时，拥有赛格市场等极端发达的元器件配套供应贸易业，为MLCC上下游电子产品提供相对成熟的配套供应链。

突出重围，实现自主研发

       尽管市场前景广阔，但目前这一市场主要仍被少数外国大企业所垄断，例如日本村田、TDK、京瓷、太阳诱电、韩国三星等。由于制造高性能MLCC的关键材料，生产小型化产品的高端设备等均需要进口，加之国际同行的技术封锁，使得我国MLCC产业链基础非常薄弱，MLCC产品受制于人，在国内外市场的竞争力较弱，无法获得较好的市场时机和经济效益。据统计，2011－2015年，我国MLCC外贸逆差年均值超过40亿美元。

       于洪宇团队在本项目的研究重点在于MLCC配方粉（包含高纯纳米钛酸钡基础粉）、超薄层流延工艺/设备、BME-MLCC的低温烧结，从而实现大容量、超薄型MLCC产品及相关原材料的进口替代。在粉体制备方面：利用改进的砂磨固相法/水热法合成小尺寸（100 nm）、较高四方性（c/a 1.008）的钛酸钡粉体，陶瓷样品介电常数达到~3000，介电损耗在~4%，电阻率达到 10¹² Ω·cm 以上，性能优异，有潜力赶超国际先进水平；在流延成型方面：相继开发出单乙醇、水基等环境友好型超薄层（20 μm）流延膜片，并自行研发相配套的成型设备，从而形成具有自主知识产权的工艺流程。

校企合作，互助共赢

       于洪宇团队已经深圳市方正微电子、苏州晶湛半导体有限公司等公司建立了密切的合作关系。以与方正微电子的合作为例，由于洪宇团队负责制定氮化镓（GaN）器件的设计方案、技术路线，并进行氮化镓器件设计、工艺模拟，和单步工艺实验。深圳方正微电子则根据南科大实验室需求，建立氮化镓（GaN）功率器件研发产线，负责单项工艺开发，工艺集成开发，实际器件流片等事宜。此外，双方将共同进行器件的测试、失效分析，以优化器件参数稳定性及均匀性，从而保证良率的提升。通过“产学研”结合的发展方式，保证氮化镓（GaN）方面的研究成果能顺利实现产业化，将科学研究落到实处，带来经济效益的增长。

供稿：于洪宇教授课题组

编辑：刘春辰

主图设计：刘春辰、丘妍

原文链接：http://www.sustc.edu.cn/news_events_/4534