范佳乐

　　
　　
　　功率半导体器件作为电能变换和处理的“CPU”，是实施电能传输、处理、存储和控制的关键所在，凡是用电的地方都离不开功率半导体器件或者装置。其广泛应用于工业控制、4C产业 （Communication通信、Computer计算机产品、Consumer消费电器、Car汽车）、光伏、智能电网等领域。
　　近年来，“新基建”逐渐成为中国经济的热词。5G、新能源等“新基建”均涉及功率半导体等基础元器件，功率半导体器件成为“新基建”的“心脏”。“一代器件决定一代装置，一代装置决定一代应用”，推动功率半导体各个环节的核心技术攻关，保证新基建实现高质量、可持续的创新发展，是当前的新风口。不少人为此前赴后继，西安电子科技大学微电子学院教授段宝兴正是研究“新基建心脏”的弄潮儿。
　　
走进功率半导体的世界
　　1996年，段宝兴进入哈尔滨理工大学学习，专业为电子材料与元器件，是技术物理系下设的一个专业。哈尔滨理工大学的技术物理系是著名光学科学家王大珩院士任哈尔滨科技大学（哈尔滨理工大学前身）校长时指示筹建的。“王大珩院士觉得研究纯物理理论的人不需要太多，国家需要的是将物理学与科学技术相结合的专业，以便更好地把物理学应用于国防科技领域。”段宝兴说，正是因为这样，哈尔滨理工大学的技术物理系规模庞大，有专门的技术物理大楼，课程设置完备，对学生要求严格。本科4年，他在物理领域打下了扎实的基础。
　　本科毕业后，段宝兴选择在本校读研，加入了雷清泉院士团队，导师是年轻有为的王暄教授。“刚好雷老师团队是做绝缘体材料研究的，我也比较感兴趣。”如果说本科和硕士期间的学习是对物理的基础研究进行探索，那么博士阶段的学习则应该有一个更加明确的方向，段宝兴离开待了8年之久的哈尔滨理工大学，前往位于成都的电子科技大学读博，定下了自己博士期间的研究方向——微电子方向下的功率半导体研究。“电子科技大学研究功率半导体有两个比较大的团队，一个是陈星弼院士的团队，另一个是我的导师张波教授的团队。”段宝兴选择了功率半导体，是因为对他来说物理专业是微电子学科的基础，所以这个方向非常适合他。
　　博士毕业后，段宝兴来到了西安电子科技大学（以下简称“西电”）任教。他的理由很简单，下一步功率半导体的发展可能要从传统硅的材料转移到宽带隙半导体的方向上来，而西安电子科技大学有着全国数一数二的宽带隙半导体技术国家重点学科实验室。“西电的师资力量雄厚，能和杨银堂老师合作新型碳化硅半导体功率器件的设计工作，我非常开心。”
　　段宝兴希望通过自己的研究工作能为新型硅基和异质结基功率半导体器件的设计提供新的解决方案，以期在未来能够为实现超低损耗功率转换系统提供理论基础，为节能减排和绿色低功耗电子系统提供理论和技术支撑。
　　
一种新理论，数种新技术
　　目前，高压LDMOS（Lateral Double-diffused MOSFET）是高压集成电路HVIC（High Voltage Integrated Circuit）和功率集成电路PIC（Power Integrated Circuit）的关键技术。为了与低压电路在工艺上更好地兼容，设计具有薄外延层且能满足一定耐压的新型LDMOS是目前功率半导体技术的一个重要发展方向。SOI（Silicon-On-Insulator）集成技术由于具有隔离性能好、漏电流小、速度快、功耗低和抗辐照等优点，被誉为21世纪的集成技术，并被广泛应用于高性能HVIC和PIC中。高压器件中击穿电压与比导通电阻之间严重的矛盾关系，一直是众多学者研究的热点。
　　2007年，段宝兴获得电子科技大学微电子学与固体电子学博士学位。博士期间，他创新性地提出了“半导体功率器件电场调制新理论”。传统的功率半导体都是从器件的表面来做新的设计，而他是从器件的内部来做设计，通过电场调制和电荷对局域场的屏蔽，来设计新型的功率半导体。段宝兴的博士导师张波教授对此的评价是：“段宝兴对功率半导体领域的贡献，是告诉大家可以通过器件内部的设计来优化功率半导体器件的性能。”
　　段宝兴提出的电场调制新理论是通过横向器件的衬底产生附加电场，通过薄的漂移区（或外延层）调制器件的表面电场，以达到优化表面电场提升器件性能的目的。这种产生附加电场优化表面电场的方法与传统设计半导体功率器件理论的不同在于：传统理论是通过附加电荷直接在漂移区引入附加电场，而电场调制效应是通过对漂移区的调制来实现。这是一种不同于传统设计中通过优化器件表面电场以提高器件耐压的结终端技术，段宝兴称之为“衬底终端技术”，其核心是衬底的体电场调制效应。
　　为了在超薄外延层上实现具有一定击穿电压的LDMOS结构，段宝兴和导师首次提出体电场降低（REduced BULk Field，REBULF）技术，该技术通过降低体内电场来满足在超薄导电层上实现高耐压的要求，是一种优化横向高压器件的新技术，实现这种技术可以通过在体内埋入一层浮空层，使横向高压器件的电场重新分配，漏端的高电场由于浮空层的等电势作用有一部分被分配到低场区的源端，突破了传统上漏端为高电场而源端为低电场的电场分布。在此基础上，段宝兴设计了数种新型器件，包括单面阶梯埋氧SOI结构（SBOSOI）、双面阶梯埋氧SOI结构（D-SBOSOI）、埋空隙部分SOI结构（APSOI）、具有P型埋层的部分SOI结构（BPSOI）、具有N+浮空层的REBULF LDMOS结构、具有N+浮空层的SJ LDMOS结构、具有折叠硅表面的LDMOS结构等。
　　其中具有折叠硅表面的LDMOS新结构，为横向功率器件实现超低导通损耗成为可能，为突破传统功率器件击穿电压与比导通电阻的矛盾关系提供了解决方案。这种新耐压结构同时利用了电场调制、多数载流子积累和增加有效导通面积三大设计优点，专门针对低压应用，可以实现超低的比导通电阻，新的耐压层具有新的耐压机理，打破了传统MOS类功率器件击穿电压和导通电阻的“硅极限”关系，为硅基功率半导体器件继续向高耐压发展提供了新思路。
　　从2004年攻读博士至今，段宝兴在功率半导体领域探索16年，共发表SCI检索论文70余篇，其中在国际顶级期刊IEEE EDL、IEEE TED上发表20余篇，主持和参与了包括国家自然科学基金青年项目、国家自然科学基金重点项目、国家重点基础研究发展规划项目（国家原“973”计划项目）、国防预研计划、陕西省科技统筹计划、陕西省杰出青年科学基金等10余项，授权发明专利20余项。
　　
回顾过去，展望未来
　　回顾这16年的科研经历，段宝兴觉得自己特别幸运。4年制本科专业由王大珩院士指导创建，他因此奠定了十分坚实的物理基础。硕士毕业后，加入了雷清泉院士的团队，他在做实验和研究的过程中受益匪浅。“雷老师是一个非常关注学术的人，是值得我一生学习的榜样。”博士期间，张波导师和李肇星教授丰富的学识、开阔的视野引领着段宝兴在功率半导体研究领域开拓出新的理论和技术。来到西电任教，在与杨银堂教授合作的过程中，他不断更新对功率半导体设计理念的认识，对功率半导体有了更全面的把握。段宝兴感慨道，从本科、硕士、博士，再到工作，他的研究领域正是沿着基础—器件—系统的顺序不断深入，走得很稳，也很顺利。
　　当记者问起这个领域最吸引他的地方在哪里时，段宝兴说有两点：一是微电子学与物理紧密相关，他能做自己感兴趣的研究；二是功率半导体器件作为电能变换和处理的“CPU”，任何用电的地方都离不开它，对日常生活来说至关重要。在段宝兴看来，功率半导体一直追求低的功耗和高的效率，这也是节能环保和节约型社会对电子系统的要求。他说：“陈星弼院士发明了超结理论和结构使功率MOS类器件突破了硅极限，而能否设计更低功耗的结构进一步突破超结极限成了我们后来研究者义不容辞的责任，将成熟的硅工艺技术和宽禁带半导体材料有机结合实现新型功率半导体器件是我一直努力的方向。”
　　2020年两会期间，民进中央提交的“关于推进中国功率半导体产业科学发展”的提案，引起了强烈反响。鉴于功率半导体制造技术的难度相对较小，功率半导体有望成为“中国芯”的最佳突破口。段宝兴希望，在突破国外技术封锁、构建我国不可替代的自有知识产权时代，具有我国自主知识产权的功率集成电路能越来越普及并走向世界，推动“第二次电子产业革命”尽快到来，贡献属于中国的力量。