【专家风采】欧欣 —— 技术专家委员会委员

个人简介

欧  欣  

中国科学院上海微系统与信息技术研究所二级研究员，硅基材料与集成器件实验室主任，博士生导师，国家级领军人才，国家重点研发计划、基金委重大项目负责人、IEEE Senior Member，在硅基SOI材料技术的基础上面向5G声、光、电核心芯片对异质集成材料的重要需求，发展“万能离子刀”异质集成XOI材料与器件技术，并应用于射频、光电和功率芯片，先后发表 SCI/EI 论文 140 余篇，其中 110 篇以第一/通讯作者发表在 Nature Com.、PRL、Adv. Mater.、Nano Lett. 、Light、Optica、Appl. Phys. Rev.等著名期刊及IEEE顶会包括IEDM、IMS、MEMS、IUS等；申请专利 170余件，已授权70余件，成果转化40余件；作为首任大会主席发起国内第一届射频滤波器创新技术大会，并形成该领域重要创新论坛。曾获中国青年科技奖、北京市科技进步一等奖、中国产学研合作创新奖、中国光学十大进展、中国半导体研究十大进展提名奖、中国电工学会科技进步奖、全国颠覆性创新技术大赛优胜奖，国际IEEE微波奖、国际离子束与材料改性杰出贡献奖IBMM Prize、国际离子注入技术青年科学家奖、德国亥姆霍兹HZDR研究中心年度研究奖等荣誉。

相关从业介绍

β-Ga₂O₃的禁带宽度为4.8eV，相当于Si的4倍以上，其Baliga优值指数高达3444，大约是SiC的10倍，GaN的4倍。因此，基于Ga₂O₃研制的器件将具有更小的导通损耗，更高的功率转换效率和更高的击穿电压，可被应用于高功率器件。同时，氧化镓作为一种可以由熔融法制备的半导体材料，其大尺寸晶圆的低成本性与n型掺杂的可控也是其重要的优势。然而，Ga₂O₃晶体材料的热导率很低，仅为10~27 W/m·K，不到 SiC的二十分之一、Si的五分之一，这使得基于Ga₂O₃材料制备的器件在工作的过程中产生的热量得不到有效耗散，产生严重的自热效应，同时高的沟道温度会使得衬底绝缘性变差，这些因素将导致 β-Ga₂O₃器件工作的稳定性下降，降低其在功率和射频领域的竞争力。因而将 β-Ga₂O₃薄膜异质集成到其他高导热衬底上解决 β-Ga₂O₃材料和器件的热耗散具有极其重要的意义。本团队致力于通过异质集成的方法为氧化镓功率器件自身严重的热耗散问题提供解决方案。

团队介绍

团队成员包括研究员2人，博士后3人，博士研究生15人。本团队与西安电子科技大学韩根全课题组合作首次在国际上首次通过 “万能离子刀”异质集成技术将β-Ga₂O₃转移到高导热的SiC、Si衬底上并对异质集成β-Ga₂O₃薄膜的质量进行优化和表征，其整体不均匀性低于±1.8%，薄膜表面均方根粗糙度为 0.2 nm。鉴于离子注入造成异质集成β-Ga₂O₃薄膜热学和电学性能的下降的问题，通过高温后退火技术实现了异质集成β-Ga₂O₃薄膜热学和电学性能的大幅度提升，提升后的薄膜质量、热学和电学接近于未注入的β-Ga₂O₃体材料的质量。基于异质集成的β-Ga₂O₃薄膜制备了高性能的MOSFETs、SBDs功率器件，证明了高导热异质集成β-Ga₂O₃晶圆优质的散热特性。其中GaOSiC SBD的等效热阻仅为GaO Bulk SBD的不到1/4。

成果展示

2019年，我们与西安电子科技大学郝跃院士团队韩根全教授合作，采用离子束剥离与转移技术在国际上首次实现晶圆级β-Ga₂O₃单晶薄膜与高导热硅基和碳化硅基衬底的异质集成，制备出了2 inch β-Ga₂O₃/Si和β-Ga₂O₃/SiC异质集成材料。对比基于同质 β-Ga₂O₃衬底的器件，异质集成β-Ga₂O₃器件热稳定性有显著的提升，相关成果发表在微电子领域顶级会议IEDM上。在此之后，我们系统性地研究了异质集成β-Ga₂O₃ 材料与器件的特性。在材料方面，从剥离机理出发，我们通过单H注入实现了β-Ga₂O₃剥离和转移，利用热动力学模型计算了β-Ga₂O₃剥离转移所需要的激活能（2.28 eV），准确的预测了β-Ga₂O₃起泡时间与温度的关系，计算出剥离的H⁺的利用率仅仅为9%，大多数的H⁺被注入造成的缺陷所捕获而存留在β-Ga₂O₃内，且在低温下不能够解离。除此之外我们也发现He、H共注在β-Ga₂O₃，体内造成了大量难迁移的空体积缺陷，难以实现薄膜的剥离。在键合方面，我们已经通过SAB键合和亲水性键合实现β-Ga₂O₃单晶薄膜的剥离。在优化离子注入程序和键合等条件后，我们已经实现了4 inch的β-Ga₂O₃单晶薄膜的剥离与转移，见图3。目前我们可以制备200-1000 nm范围内不同厚度的异质β-Ga₂O₃薄膜，同时剥离后剩余的单晶β-Ga₂O₃衬底还能再次利用，实现多次转移。这在目前β-Ga₂O₃单晶衬底价格昂贵的情况下，大大降低了我们工艺的成本。