第三代半導體包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）、金剛石、氧化鎵等，具有禁帶寬、擊穿電場強度高、飽和電子遷移速率高、熱導率大、介電常數(shù)小、抗輻射能力強等優(yōu)點。以第三代半導體材料為基礎(chǔ)制備的電子器件在半導體照明、新一代移動通信、新一代快充電源、雷達、新能源汽車、軌道交通和航空航天等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，對國家的產(chǎn)業(yè)升級、節(jié)能減排和國防安全具有重要戰(zhàn)略意義，是新基建、消費電子和軍事國防的核心元器件，也是當前全球信息制造產(chǎn)業(yè)競爭焦點。以GaN基LED為基礎(chǔ)的半導體照明形成了千億美元規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，年節(jié)電近兩千億度；以SiC基MOSFET和AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)為代表的功率器件正在顯著影響和改變?nèi)藗兊纳罘绞?，SiC是目前能實現(xiàn)萬伏千安的唯一材料，可實現(xiàn)電力電子裝置的緊湊化和小型化（體積減小40%，能量損耗減少50%），是電動汽車逆變器的不可缺少核心器件；GaN是同時實現(xiàn)高頻、大寬帶和大功率的唯一材料，基于AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)的微波功率器件是5G基站和相控陣雷達發(fā)射單元的核心；GaN是唯一覆蓋從紅外到紫外的半導體材料，基于GaN材料的光電器件在可見光通信、新型顯示、殺菌消毒、海量存儲、導彈制導等方面有重要應(yīng)用。

那么問題來了：為什么在臺積電、英特爾帶領(lǐng)硅基IC先進制造向3nm, 2nm的極限尺度進軍時，第三代半導體的器件特征尺寸卻徘徊在數(shù)百納米， 甚至微米？比如被認為是未來顯示重要技術(shù)的Micro-LED，目前像素尺寸能做到2微米，像素密度到10000，已經(jīng)是非常先進水平。

 

第三代半導體材料具有和傳統(tǒng)半導體硅不同的材料性質(zhì)，具有“五高”特征：高電壓，高工作溫度，高頻，高功率密度和高效率，導致其器件制造工藝和技術(shù)上差別很大。從某種程度上看，第三代半導體器件制造具有“極端制造”特點。

 GaN在常壓下無法熔化，高溫下分解為Ga和N2，在其熔點（2300℃）時的分解壓高達6GPa。當前生長裝備很難在維持GaN熔點溫度下，同時承受如此高的壓力。因此傳統(tǒng)熔體法無法用于GaN單晶的生長。GaN器件以異質(zhì)外延、水平結(jié)構(gòu)路線為主。MOCVD外延是構(gòu)造GaN器件的核心，而襯底選擇是關(guān)鍵，決定器件技術(shù)路線。目前襯底主要有異質(zhì)藍寶石、SiC和Si。有限的襯底選擇和外延嚴苛條件使器件設(shè)計和制造受到一定限制。從根本上突破襯底的限制將更充分釋放GaN等第三代半導體器件潛能。美國Los Alamos National Laboratory孵化的iBeam Materials公司，利用離子束輔助沉積技術(shù)，可在包括超薄金屬片等多晶甚至非晶襯底上通過常規(guī)磁控濺射等物理沉積方法，獲得晶向織構(gòu)可控的成核層，然后繼續(xù)外延生長獲得質(zhì)量良好的GaN材料，用于制作LED和晶體管器件，進一步用于Micro-LED顯示，柔性電子器件等（Phys. Status Solidi A2020, 1900800，ICNS-13 2019 July 8, 2019 l Bellevue, Washington, USA）。然而晶向織構(gòu)可控成核沉積技術(shù)還面臨多相多晶態(tài)競爭可控調(diào)制，粗糙或大尺寸襯底原子遷移動力學控制，襯底晶格-原子吸附遷移熱力學-動力學綜合調(diào)控，以及輔助沉積裝備定制設(shè)計 等制造科學、工藝和設(shè)備問題。

 

半導體摻雜一般可通過材料生長原位并入，器件制造中熱擴散和離子注入等方法實現(xiàn)。傳統(tǒng)硅摻雜一般通過熱擴散實現(xiàn)，利用高溫驅(qū)動雜質(zhì)進入硅的晶體結(jié)構(gòu)。第三代特征使摻雜雜質(zhì)激活率低，同時其強化學鍵特征使雜質(zhì)原子擴散距離短，注入深度淺。因此第三代半導體一般通過外延生長過程原位摻雜，和器件階段離子注入工藝，分別實現(xiàn)對摻雜原子的縱向和橫向分布控制，通過熱擴散實現(xiàn)濃度和分布可控摻雜非常困難。離子注入摻雜則面臨晶格嚴重損傷，高溫晶圓翹曲帶來的摻雜均勻性和同后續(xù)工藝制成兼容性，以及離子注入深度有限導致很多器件需要多次重復材料生長-離子注入步驟等問題。原位生長并入摻雜不能實現(xiàn)摻雜橫向梯度可控。比如， MOCVD外延較難實現(xiàn)橫向梯度可控摻雜。第三代半導體禁帶寬度較大，雜質(zhì)激活能隨禁帶寬度增大而增大。原位p型摻雜目前能達到的最高空穴濃度僅為10e18級別，比對應(yīng)電子濃度小兩到三個數(shù)量級。

 

襯底剝離主要是GaN基器件。一般在異質(zhì)襯底上外延獲得GaN基材料。藍寶石是目前市場上最重要的襯底， 在LED芯片用襯底市場占據(jù)絕對主導地位，具有晶格匹配性較好，工藝成熟、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)，透光性極高，價格適中，出光效率高等優(yōu)點。同時存在熱導率較低，電導性差，折射率高導致出光率相對較低等缺點。導熱性差雖然在器件小電流工作中沒有暴露明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。將藍寶石襯底剝離去除，并將器件轉(zhuǎn)移至導電導熱良好的襯底上，是制備GaN基大功率LED\高PPI Micro-LED\功率器件的重要選擇。襯底剝離是最關(guān)鍵工藝。藍寶石化學性質(zhì)非常穩(wěn)定，一般的酸堿溶液等難以蝕刻去除。香港應(yīng)科院等提出機械磨拋法，但是要求很高。目前一般是采用KrF深紫外激光照射GaN/藍寶石界面，使GaN分解，從而剝離襯底。但是分解過程中急速產(chǎn)生的N2需要釋放，需要工藝上設(shè)計釋放通道等。目前Micro-LED顯示被廣泛看好，同傳統(tǒng)LED和Mini-LED不同，Micro-LED的襯底需要去除。這對藍寶石襯底路線帶來較大挑戰(zhàn)。

 

GaN材料和藍寶石襯底的化學惰性使?jié)穹ㄎg刻和襯底剝離較困難。這提高了器件制程的窗口和可靠性，但同時也將極大限制器件結(jié)構(gòu)和功能實現(xiàn)，也對某些器件特殊制程和工藝帶來很大挑戰(zhàn)。如GaN晶體在除了氮極性面的包括Ga極性、半極性和非極性面均難被常規(guī)酸堿蝕刻，這增加了傳統(tǒng)側(cè)向型GaN基LED的表面粗化工藝，以及晶圓減薄難度。傳統(tǒng)硅CMP可以在化學和機械磨拋共同作用下達到原子級別精度，但對于第三代半導體，在純粹機械磨拋作用下很難實現(xiàn)厚度和表面平整度的高精控制。第三代半導體高硬度等特性對晶圓拋光，研磨，切割工藝有特殊要求。基于異質(zhì)外延的應(yīng)力型器件對低損傷芯片加工工藝也提出更高要求，如 AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)中AlGaN層刻蝕（~20nm），Micro-LEDs Mesa刻蝕等。SiC基GaN射頻器件背孔引線需要SiC襯底刻穿，GaN基垂直器件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移襯底蝕刻等則需要雙面光刻工藝。

 

互連工藝包括芯片級互連和封裝級互連。前者包括GaN器件原襯底剝離后同新襯底互連，器件同驅(qū)動電路基板互連等，后者包括功率芯片與DBC襯板互連，芯片與電路引線鍵和互連等。以GaN基Micro-LED為例，尺寸向亞10μm推進，芯片的I/O數(shù)目和密度都增加，需要更高精度、更高工藝兼容性、更高可靠性的芯片-驅(qū)動襯底互連技術(shù)。傳統(tǒng)鍵合工藝需要高溫高壓條件，對準精度低，難以滿足高可靠高密度器件陣列互連需求。對于SiC基功率模塊，傳統(tǒng)硅基功率模塊引線鍵合用鋁線，可靠性低，在高溫高功率服役條件下面臨電熱力各方面問題和挑戰(zhàn)。采用多芯片并聯(lián)的SiC MOSFET功率模塊，Vth較低，短路耐量較小，需要低的寄生電容和電感，因為高的開關(guān)速度將產(chǎn)生高dv/dt 與 di/dt，更高的關(guān)斷過電壓、更大的開關(guān)振蕩，增加器件的開關(guān)損耗和 EMI 噪聲。

 

離子注入和注入后的退火都需要高溫工藝，而SiC基MOSFET器件則還需要高溫氧化工藝。這也是第三代半導體器件制造工藝和硅基工藝的一個顯著區(qū)別。

 

而高結(jié)溫高功率密度SiC MOSFET等功率器件和GaN基HEMT高頻器件對芯片和模塊級的互連散熱等工藝提出了很高的要求。高功率密度器件（如SiC MOSFET（體積不到IGBT的1/5）, 用于5G宏基站的100W-300W級的極大功率GaN射頻器件），或高密度熱源器件（如GaN基Micro-LED）等器件的高效散熱需求。三維堆疊封裝氮化鎵芯片功率密度大、體積小、界面多、散熱面積小，傳統(tǒng)的二維芯片的散熱方式往往很難用于3D封裝器件，使得熱管理成為3D 堆疊封裝所面臨的最嚴峻的挑戰(zhàn)：GaN器件本身的自熱問題，高電壓、大電流的工作條件下，其本身在溝道處會產(chǎn)生一定的熱量，該熱量會導致器件溝道內(nèi)溫度迅速上升；垂直方向上的芯片堆疊增加了功率密度，層間低熱導率介質(zhì)層的存在導致了散熱問題惡化，進一步增加堆疊芯片從頂部到熱沉之間的熱阻；垂直方向上的熱串擾，特別在高功率芯片與低功率溫度敏感元件之間的熱流動。

 

異質(zhì)集成或者三維集成第三代半導體涉及到多材料（第三代半導體、金屬、有機物等），多域（芯片、模塊、系統(tǒng)），多物理場（電場、電磁波、熱、力）和多尺度（納米到微米到毫米），加之第三代半導體器件本身的高壓、高功率、高溫、高頻、高密度I/O等屬性，需要進行工藝協(xié)同兼容。如綜合防短路和防擊穿技術(shù)，包括綜合版圖設(shè)計技術(shù)，應(yīng)力管理和晶圓級翹曲控制技術(shù)，極小極大間隙下填技術(shù)，防止高密度互連下短路和高電壓擊穿。IC硅器件間垂直互連一般通過TSV，第三代半導體同硅在材料力學參數(shù)區(qū)別，通孔蝕刻，或者激光打孔工藝面臨較大不確定性。

一項技術(shù)從發(fā)明走向應(yīng)用，從1到N，在很多時候，比從0到1要更為重要，更為艱辛和漫長。硅基集成電路之所以能從從1到N, 以摩爾定律速度推進，并行高效的平面工藝發(fā)揮關(guān)鍵作用。發(fā)明基于平面工藝集成電路的諾伊斯，和發(fā)明晶體管的肖克利同樣偉大。
 

二維metasurface及平面光學元件，比三維metamaterials更吸引產(chǎn)研人員的興趣，也在于相比于后者，得益于平面工藝的成熟，前者從1到N的可能性要大得多。三維metamaterials的制造是個大問題。德國Karlsruhe Institute of Technology (KIT)研發(fā)的Nanoscrible等基于雙光子吸收的三維加工制造設(shè)備，問題還是很多。

 

先進封裝被視為延續(xù)摩爾定律的重要技術(shù)選擇，2.5D/3D的先進封裝能否更多地滲入，高效低成本的制造工藝也是關(guān)鍵。平面工藝并不等同平面結(jié)構(gòu)，3D結(jié)構(gòu)也當然可以基于平面工藝。

 

第三代半導體器件中，LED已經(jīng)實現(xiàn)了從1到N，而Micro-LED顯示則是面臨巨量轉(zhuǎn)移等從1到N關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)。以4K電視為例，4K通常指4096*2160分辨率，假設(shè)每像素點為三個R/G/B晶粒，制作一臺4K電視便需轉(zhuǎn)移高達2600萬顆晶粒—即使每次轉(zhuǎn)移1萬顆，也需重復2400次。巨量轉(zhuǎn)移不是硅基IC的成熟工藝：比如M1 芯片擁有 160 億個晶體管， M1 Ultra上的晶體數(shù)量多達1140億，巨量轉(zhuǎn)移是不可能的。 

 

第三代半導體的科學研究，也許可以更多從0到1探索發(fā)現(xiàn)；第三代半導體制造，也許需要更多考慮從1到N的創(chuàng)新突破，更多借鑒利用硅的成熟制造工藝。

 

IC制造和第三代半導體制造，除了技術(shù)上，還有很多其他方面的差別。IC產(chǎn)業(yè)相對非常成熟，產(chǎn)值很大，產(chǎn)業(yè)分工從最初的IDM到現(xiàn)在的Fabless+ Foundry模式占據(jù)上風，IC制造在IC產(chǎn)業(yè)中起著舉足輕重的作用。因其產(chǎn)值大，產(chǎn)業(yè)鏈成熟，IC制造的即使較小的工藝進步或創(chuàng)新，都可能形成很大的放大作用，對企業(yè)本身和產(chǎn)業(yè)格局趨勢產(chǎn)生重要影響。比如130nm Cu互連工藝，沉浸式光刻機。第三代半導體技術(shù)目前相對沒那么成熟，整體和各個細分產(chǎn)品的產(chǎn)值也還較小，還處在群雄逐鹿時代，企業(yè)傾向IDM模式，以便更好控制成本、質(zhì)量和供應(yīng)鏈等。高校、研究所企業(yè)等第三代半導體方面研究，更多是針對產(chǎn)品，如Micro-LED、UVC LED、射頻微波器件、功率半導體器件等，而專門針對第三代半導體中的共性工藝或制程研究相對較少。相對來說，越往材料和底層的工藝會得到更多些關(guān)注和研究，因為其可能的使能范圍，放大系數(shù)會相對大。如諾獎得主S. Nakamura等解決p型GaN摻雜難題，除了部分n型單極型器件，可以用于所有的雙極型和復合光電子和電子GaN器件。中科院長光所、西安電子科技大學、美國耶魯大學等在更寬禁帶AlGaN摻雜、GaN可控濕法蝕刻、第三代半導體激光切割等研究屢有進展。第三代半導體設(shè)備廠商當然會結(jié)合工藝研發(fā)，但和IC制造工藝研發(fā)還是有所區(qū)別。

 

最近，美國對華實施出口新禁令，其中包括寬禁帶半導體氧化鎵和金剛石。第三代半導體這塊硬骨頭，還要硬啃下去。

作者簡介：
汪煉成，中南大學特聘教授，高性能復雜制造國家重點實驗室研究員，從事第三代半導體器件研究。