创新之路Way of Innovation
芯片被誉为现代工业的粮食，目前，芯片对电子产品的渗透率接近100%，已成为现代信息社会的细胞。然而在这一重要的战略技术领域，我国起步较晚，尚有较大的追赶空间。在芯片研发过程中，关键的工艺水平和工艺设备的欠缺，成了阻碍我国芯片产业发展的重要因素。芯片“断供”事件让中国的研究者更清楚地认识以GaAs、InSb、InP为代表的第二代半导体材料，第三代半导体材料又被称为宽禁带半导体材料，其优异的高频特性、高温特性、高耐压、高功率、小体积等特性，为进一步提升相关 大的空间。随后信息科技的兴起，对芯片研发生产及微电子技术提出了更高要求，也催生了宽禁带半导体材料与芯片
赵胜雷在半导体超净工艺间工作照
52 科学中国人 2021年2月
面取得了多项原创性成果。此外，赵胜雷发现Si器件的击穿表征方法并不完全适用于G a N器件，随即就G a N击穿表征方法的局限性提出了具有针对性的解决方案，这一研究成果发表于电力电子领域顶级期刊IEEE Transactions on Power Electronics上，也是我国学者在该刊发表的首篇GaN论文。 郝跃院士“坚持服务国家重大需求”的追求也深深影响了赵胜雷，优秀的学术成果并没有让他就此止步不前。
在赵胜雷看来，对于宽禁带半导体的研究，最终落点是服务产业工程应用，将研究成果进行产业转化。了解产业界的具体需求并据此发掘科研的着力点，是宽禁带半导体研究产业化的不二法门。怀揣着“去产业界看一看”的想法，赵胜雷开启了新的人生阶段。 产学研结合，
开辟宽禁带半导体应用新格局博士毕业后，赵胜雷选择中国电子科技集团公司第24研究所作为“深入产业界”的第一站。在这里，赵胜雷从事S i基V D M O S功率器件产品开发，成功研制出3款Si基抗辐射VDMOS功率器件产品，实现经济效益超2000万元。一年后，赵胜雷入职华为技术有限公司2012实验室，作为技术骨干参与5G通信核心器件工程产品的研发，三获华为技术芯星奖。在与宽禁带半导体实际应用接触的过程中，赵胜雷从企业和市场的实际需求出发，在获得良好市场反馈的同时，他也借由行业的实际情况不断寻宽禁带半导体进一步研究的靶点。带着这些“一手材料”，赵胜雷以“华山学者菁英计划”人才引进形式回到西安电子科技大学工作，针对相关产品的关键问题，全面开展产学研合作。
据赵胜雷介绍，目前G a N电子器件
主要包括两个应用方向：电力电子器件与
射频器件。在电力电子领域，主要关注击
穿电压和导通电阻两个指标。G a N器件击
穿电压远高于S i器件，同时在相同应用电
压下，G a N电力电子器件的特征导通电阻
可以降低两个数量级。在1000V以内的应
用环境中，其开关频率远高于S i基与S i C
器件，可有效降低电路体积、减小电路功
耗。此外，G a N电力电子器件可适用于手
机快充、电动汽车、数据中心等应用场
景，华为、小米等公司已有上百款G a N手
机快充产品投入市场，日本方面采用G a N
器件逆变器生产的电动汽车，时速可达50
公里/小时，这意味着G a N器件在电动汽
车市场应用潜力巨大。在解决器件全面指
标、可靠性、电路应用、成本、市场推广
等问题后，G a N电力电子器件有望应用于
上万亿的电力电子应用中。
在射频器件领域，GaN器件具备更高
的击穿电压和输出功率等优势。目前在5G
、军用雷达等领域，已广泛采用G a N
射频器件替代传统LDMOS与GaAs射频器
件，以满足高速、大功率、大信息容量的
需求。预计在2030年可以进入产业化的6G
通信领域，也须借由G a N器件释放其巨大
市场潜力和强大发展动力。在航空航天领
域，由于良好的耐高温性能，使用G a N器
件可减少大量冷却设备、有效降低设备重
量；同时凭借宽禁带优势与无栅氧器件结
构，G a N器件具备较强的抗辐照能力，在
宇航领域具有广阔应用前景。
围绕应用需求，赵胜雷先后主持了多
项国家自然科学金面上项目、国家重点研
发计划、国防科技创新特区项目子课题等
项目，作为技术骨干参与了国家科技重大
专项、国家自然科学基金面上项目等项目
10余项。在最新的国家自然基金面上项目
中，赵胜雷将目光投向对A C-A C矩阵变
换器中双向阻断电力电子器件的研究。不
同于传统双向开关电力电子器件+二极管
的构成方式，赵胜雷通过采用具有双向阻
断能力的电力电子器件，去除二极管，减
少器件数量、缩小芯片体积、有效降低双
向开关电路的功耗。经过对比，赵胜雷选
择了具有更优的击穿特性和器件综合特性
的AlGaN沟道HEMT，展开对器件击穿电
压与特征导通电阻的矛盾关系、肖特基漏
开启电压与漏电极反向漏电的矛盾关系、
高温击穿机理的探索问题等关键问题的研
究，全面提升AlGaN沟道双向阻断功率器
件特性。目前，该项研究已获得3000V双
向阻断特性，远超国际报道的900V最高
水平，在双向开关与矩阵变换器领域有重
要的战略意义和应用价值。此外，在国家
科技重大专项项目中，赵胜雷创新性地采
用了低功函数W金属、氧化终端结构等技
术，研制了低开启、高电场强度的G a N准
垂直SBD器件，相关科研成果发表在IEEE
EDL、APEX、JPD等国际知名期刊，并
被Compound Semiconductor、CSC化合
物半导体及宽禁半导体技术创新联盟等国
内外半导体专业媒体进行专题报道或转
载。与此同时，赵胜雷申请与授权国家发
明专利30项，并荣获中国研究生创芯大赛
一等奖及优秀指导教师称号。
作为少见的拥有高校、研究所、一线
企业研究实践背景的科研学者，赵胜雷坦
言，中国拥有世界上最大的器件市场，具
有强大的市场拉动力，这也为科研和产业
发展创造了极好的机会。未来，赵胜雷将
继续在氮化物横向HEMT电力电子器件、
氮化物垂直电力电子器件和功率器件可靠
性与产业化领域不断发力，为我国更低能
耗、更优性能的半导体器件与芯片发展不
懈奋斗。科
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