InfoMat:中国科学技术大学龙世兵教授专访:宽禁带半导体器件国产化势在必行

个人简介

龙世兵,从事超宽禁带半导体器件、存储器等领域的研究。国家杰出青年科学基金获得者,IEEE高级会员。在IEEE EDL等国际学术期刊上发表论文100余篇,SCI他引5500余次,H因子43,5篇论文入选ESI高引论文。申请专利100余项。主持国家自然科学基金、科技部(863、973、重大专项、重点研发计划)、中科院、广东省等资助科研项目20多项。参与获得国家技术发明奖二等奖、国家自然科学二等奖、中国科学院杰出科技成就奖。

个人网站:

http://sme.ustc.edu.cn/2018/1215/c17411a365660/page.htm

聚焦宽禁带半导体器件领域

■  您能否简要介绍课题组的工作? 

我们课题组的主要研究方向包括:(1)宽禁带半导体材料与器件:主要聚焦氧化镓材料的功率电子器件和光电探测器件;(2)新一代存储器技术:包括新型非易失性存储器(如阻变存储器RRAM)和动态随机存储器DRAM。针对存储器的研究,课题组和合肥市长鑫存储技术有限公司保持长期合作。当您还在上学的时候,未来想从事什么职业?是什么机缘促使您开始宽禁带半导体器件领域的相关研究呢?

上本科的时候懵懵懂懂,还真没想过未来要从事什么职业,直到读博士期间才逐渐明确想要一直从事科研工作,感谢导师刘明院士的栽培!博士毕业后留在中科院微电子所工作,从事存储器领域的研究,后来有机会接触并逐步聚焦于宽禁带半导体器件领域的研究。您的团队在宽禁带半导体材料及器件领域取得了众多成果,您认为宽禁带半导体材料在功率电子与光电子领域的研究热点有哪些呢?您的团队将继续在该领域开展哪些研究呢?

研究热点:(1)材料生长工艺和器件加工工艺:宽禁带半导体器件相比于传统半导体材料发展要缓慢得多,主要障碍之一是宽禁带材料的质量存在较大问题,缺陷、位错、掺杂等尚缺乏精确的控制手段,因此高质量外延技术需要重点发展。此外,宽禁带半导体加工工艺问题主要集中在界面工程上,理想的欧姆接触、理想的肖特基接触、低缺陷的介质界面等是器件加工工艺的研究热点。(2)功率电子器件:高质量外延材料与介质材料是功率器件的基础,器件界面表征与器件界面的处理方式是器件的灵魂,终端结构设计是高性能器件的关键,大电流、高耐压、低导通电阻是功率器件追求的目标。此外,功率器件的电路模块化是其应用的必然途径,建立可用于电路仿真的compact模型也至关重要,功率器件的抗辐照特性是其特殊用途下的研究重点。(3)“小型高能”光电探测器:尽管表现出明显优于Si基探测器的响应灵敏度,但是,目前的宽禁带半导体光电探测器尺寸较大,如何实现小面积高响应的探测器是领域里亟需解决的一大难题。(4)光电探测器的集成与应用验证:部分基于GaN、SiC、Ga2O3等宽禁带半导体材料的光电探测器实现了小规模的商业化应用,然而此类光电探测器在空天预警、通信、天文光测、指纹识别、生物医疗检测等众多领域的市场前景还有待开发。(5)宽禁带半导体器件的封装及可靠性分析:宽禁带半导体材料及器件发展势头正猛,但是现有成熟的半导体封装技术沿用了第一第二代半导体材料的封装技术。宽禁带半导体器件的封装及可靠性分析尚未形成完整的科研或者产业化体系。

把握机遇,勇于挑战

■  您的团队涉及阻变存储器的相关研究,您认为阻变存储器在存储领域现存的研究挑战和其研究发展的优势各自体现在哪些方面?

主要挑战:(1)器件均一性:这是RRAM面临的最主要问题;(2)阵列串扰:阵列需要附加的非线性元器件进行串扰抑制;(3)器件可靠性:其信息保持特性有待考验,商用存储器对有效信息存储的时间要求是10年。

主要优势:(1)小型化高密度:阻变存储器尺寸可微缩至5 nm及以下;(2)高速存取:器件操作及读取速度均小于100 ns,与商用非易失性存储器相比具有明显的速度优势;(3)具备多级存储、(类脑)存算潜力等。对于您的团队发表的工作,哪一部分最让您印象深刻?

印象最深刻的应该是我们2016年刚开始涉足超宽禁带半导体材料的时候,做的第一批氧化镓功率器件及发表的那几篇论文。当时对于氧化镓这个材料有太多的未知,并且那时候适合制备器件的材料非常稀有,我们做了很多调研,有很多想法,但没有材料来实践。后来山东大学的陶绪堂老师听了我们的一些想法后非常支持我们,送了一些氧化镓单晶片给我们。当时真是如获至宝一样,非常珍惜,器件制备过程的所有步骤都是和学生一起再三讨论后执行,材料不舍得轻易使用。器件完成后我们将其最大化地利用起来,做了很多电学、光电、物理及材料相关的测试表征工作。令人欣慰的是最后结果还不错,发表了几篇IEEE EDL、APL等论文,相关论文的引用和评价都还不错,这些工作增加了我们对于氧化镓这个材料的基本认识并奠定了我们继续从事超宽禁带半导体材料及器件研究的基础。在面对一个新事物的时候,那种不断去探索的经历还是挺难忘的,并且一直要感激那些在初期阶段支持和帮助过我们的朋友们。您能否简单介绍一下超宽禁带半导体中“超”具体是指哪些方面的突破呢?

字面意思看,“超”字主要形容禁带宽度,会带来材料或者器件的以下优势:(1)键能大,使材料具有耐高温、耐高压、耐辐照的特性;(2)功率品质因子高,有利于提升器件的耐高压特性;(3)禁带宽度直接对应波长较短的深紫外光,有利于进一步提升深紫外探测器的探测波长极限。

宽禁带半导体器件国产化势在必行

■  宽禁带半导体发展列入了国家“十四五”规划中,您认为该领域的科学研究在哪些方面可以为国家发展做出贡献呢?作为科研工作者,您认为应该如何将个人科学研究与国家规划相结合呢?贡献1:在功率电子方面,宽禁带功率电子器件及功率模块科研工作者肩负着国产化替代的重要任务,争取在“十四五”期间实现换道超车。在光伏逆变、高压输电、铁路运输、汽车电子、手机快充等领域全面发展,并有效实现电能节约,为减少碳排放做出贡献。贡献2:宽禁带半导体光电器件,包括发光元件和探测器件,在医疗健康、空间探索、灾害防御、军事防卫等方面可以带来革命性的变化。目前,宽禁带半导体光电器件的国产率不高,希望相关研究在未来3~5年实现规模化的国产替代。

如何结合:做好本职研究工作,为宽禁带半导体器件的国产化替代提供“科大方案”。宽禁带半导体发展被列入国家“十四五”规划,是根据目前基本国情对半导体行业发展做出的重要部署。当下国际形势严峻,国内半导体行业受到严峻考验,个别国家为限制我国半导体技术进步而实施技术封锁与限制。同时,这也带来了国内半导体行业发展的机遇,实现众多半导体技术的国产化迫在眉睫。因此,宽禁带半导体器件的国产化至关重要,且势在必行。

“即使有风雨,也要不断前行”

■  作为《InfoMat》的青年编委,能否请您简单谈谈对期刊的期许?您认为我们还可以从哪些方面努力提高期刊的水平和影响力?

很荣幸能够得到《InfoMat》的认可并成为《InfoMat》的青年编委。对《InfoMat》的期许主要有以下几个方面:(1)希望期刊能够把控高水准稿件;(2)希望期刊能够拓展中国学术影响力;(3)希望期刊能够打造成一流的技术交流与传播平台,类似《Advanced Materials》期刊。您的课题组目前有引进人才的计划吗,您能谈谈中国科学技术大学在人才引进和科研发展方面有哪些政策支持吗?

我们课题组有引进优秀人才的计划,包括博士后。我们有很好的生源,这是我们课题组值得自豪的一点,因此也需要更多的年轻老师加入课题组一起奋斗。中国科学技术大学在人才引进和科研发展方面有很好的政策,尤其是对海外优秀人才在科研启动经费、安家费、住房、子女入学等方面都有很强的支持力度。微电子学院为新晋科研人员提供具有竞争力的薪酬。请您送一句话给已经踏上科研征途的博士研究生们。

“不能因为雨大而不出门”,这是老师经常给学生讲的一句话。做科学研究,针对科学问题,不能望而却步,而要迎难而上。