5G基站建设、特高压、城际高速铁路、城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、工业互联网这类新基建，涉及诸多产业链，是以新发展理念为引领，以技术创新为驱动。这些领域以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系。而这些领域背后都离不开第三代半导体材料的身影。因此，第三代半导体材料的相关技术已经成为国家重大战略。
氮化镓（GaN）是第三代半导体，又称宽禁带半导体。和第一代的硅材料相比，它的禁带更宽，材料更难导电，同时临界电场更高，更耐高压，不容易被击穿，所以这种材料在功率和射频应用上有优势。但是随着晶体管芯片的功耗和尺寸不断降低，电子设备也就跟着升级换代，在半导体行业经历了数十年的工艺发展后，面临着新的挑战。
为了加强半导体产业链各细分领域科研院所、企业间的交流与合作，共同推动产业创新与协同发展，“2024中国检测技术与半导体应用大会”于2024年7月11日至13日在上海举行。大会由国家集成电路创新中心、复旦大学光电研究院等单位共同举办，汇聚了行业顶尖人才。其中，中国功率半导体器件研发专家，安世半导体 (上海)有限公司中国区MOSFET研发中心产品研发总监陈帆受邀出席了大会并在会上作出了精彩分享。
会上，陈帆不仅带来了安世半导体第三代半导体工艺和器件的最新成果，还分享了他基于新型功率器件研发所取得的最新学术研究成果，包括《二维宽禁带半导体 GaN 的光电性质研究》以及《基于氮化镓器件的高功率密度 AC-DC 变换器设计研究》，他的这些学术研究均为集成电路学术界最新研究成果，这些成果为中国的第三代半导体发展提供了重要的理论价值。
团队协助研究，探索半导体未来
陈帆，复旦大学微电子学院微电子学与固体电子学专业理学博士。他是功率半导体器件研发专家，已取得中国、美国发明专利 100 余项。他的学术论文在多家全球期刊中公开发表，部分论文还获得了美国电气化学协会（The Electrochemical Society）和国际权威学术期刊《电子材料学报》（Journal Of Electronic Materials）等机构的收录刊登。
在国家“十一五”、“十二五”发展规划中，陈帆担任半导体工程项目的核心技术人员以及项目经理，响应国家规划，为我国半导体产业和技术特别是射频相关的集成电路技术做出了突出贡献。陈帆目前担任安世半导体 (上海)有限公司中国区 MOSFET 研发中心产品研发总监，近年来他带领其研发小组与复旦大学的功率器件课题组进行合作，共同探讨研发前沿的 GaN HEMT 以及 GaN-on-GaN等器件结构。
GaN HEMT，即氮化镓高电子迁移率晶体管，主要基于氮化镓材料构建，以其高频性能、高功率密度、高温性能著称。近年来，随着高质量单晶GaN衬底重要性的突出，多个国家与地区相继发起多项垂直型GaN-on-GaN器件的研发项目。中国科技部也启动了“第三代半导体的衬底制备及同质外延”重点研发计划以推动GaN单晶衬底和垂直型GaN-on-GaN功率器件的发展。陈帆自2016年就开始关注于GaN的技术和发展趋势，并且进行平面GaN HEMT技术上的探讨和研究，改善current collapse的问题。
进入安世以后，陈帆组建了30人的全全能型研发团队，研发新型的高效率的硅基半导体分立器件MOSFET。同时，带领一支丰富经验的研发小组进行GaN-on-GaN器件结构的探索性研发。在他的领导下，新型垂直结构GaN-on-GaN功率二极管能够从根本上突破传统平面型GaN-on-Si器件在击穿电压、动态导通性能等方面的限制，更大程度地发挥GaN材料本身的优势，体现了极大的市场潜力。
安世半导体是一家全球性的半导体公司，前身为恩智浦的标准器件部门。2018年，安世半导体生产总量超过1000亿颗，居全球第一，服务全球各领域客户超20000家。这些产品在工艺、尺寸、功率和性能方面被公认为效率的基准。2019年，安世半导体在全球开始批量交付GaN的功率半导体产品，成为行业内有数的量产交付客户的化合物功率半导体公司。
陈帆加入安世半导体后，承担着规划企业未来发展战略方向的责任，根据全球功率MOSFET市场制定研发方案。他带领着团队，聚焦行业领先的MOSFET产品组合的研发，为企业陆续设计、开发及测试了不同电压程度的功率MOSFET，其中包括30V、40V、60V、100V 、150V的SGT MOSFET产品，这些产品的Rsp（关键参数指标）均达到了国际功率半导体器件领域的一流水平，产品性能和技术比肩英飞凌（Infineon）、ONSEMI等同行，极大地帮助安世半导体提升了市场竞争力。
在研究中陈帆发现，氮化镓晶体管作为一种基于先进氮化镓材料的半导体元件，其在高性能电子系统中展现出显著优势。其卓越的高电子迁移率特性，不仅确保了优异的电信号传输效率，还赋予了器件承载高功率、高频及高电压应用的强大能力。氮化镓的饱和漂移电子速度远超传统硅基材料，尤其是在射频领域，这一特性使得氮化镓晶体管成为实现高速、高效信号处理的优选方案。此外，氮化镓的高电子透过率降低了能量损失，使得晶体管能在更低电压下实现高效能转换，显著优化了功率消耗与性能之间的平衡。其宽禁带隙特性结合高热导率，使氮化镓晶体管能够稳定运行于高温及高电压环境，拓宽了应用边界。
在射频电路设计中，氮化镓晶体管以其低噪声系数著称，有效提升了信号质量，满足了现代通信系统对高清晰度、低干扰传输的严格要求。同时，其高度集成的潜力促进了设备的小型化与功能密集化，为无线通讯、高速数据传输等领域带来了革新。更重要的是，氮化镓晶体管的长期稳定性与化学惰性，保障了其在恶劣工作条件下的可靠运行，为关键基础设施与尖端技术应用的长期效能提供了坚实保障。鉴于上述优势，陈帆选用了氮化镓晶体管作为核心元件，旨在实现更高效、更可靠的电力与信号处理系统。
因此，陈帆基于氮化镓器件的高功率密度AC-DC变换器设计，通过自适应控制与电容增压技术，实现了高效能转换。实验验证其性能优越，成本效益显著且体积紧凑。氮化镓器件的广泛应用前景，如电动汽车充电、太阳能逆变，凸显了其高耐压、长寿命及高效能优势。未来，进一步优化设计将提升效率、降低纹波与调整率，推动该技术向更广泛领域发展
半导体的研发不仅仅需要对半导体理论知识及半导体制造工艺知识的熟悉与精通，更需要坚持不懈的长久努力。而陈帆在这一领域中对技术发展的洞察和研发能力使得他能不断跟紧产品发展的步伐。未来，陈帆表示将继续带领团队，聚焦行业前沿，探寻半导体的新发展。（文/刘静）
