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            屠海令院士:加強寬禁帶半導體材料的研發與應用

            作者:handler人氣:1515發表時間:2019-12-03 16:28

            寬禁帶(一般指禁帶寬度>2.3eV)半導體材料的研發與應用方興未艾,正在掀起新一輪的熱潮;其中碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)以高效的光電轉化能力、優良的高頻功率特性、高溫性能穩定和低能量損耗等優勢,成為支撐信息、能源、交通、先進制造、國防等領域發展的重點新材料。

            回顧歷史,20 世紀50 年代中期出現SiC 晶體生長的第1 個專利。2007 年美國Cree 公司成功制備直徑100 mm 的SiC 零微管襯底,而后推出二極管產品并在技術和應用層面取得了長足進展。GaN 也是跨世紀期間方有較快發展,1993年GaN 外延藍光二極管研制成功,1996 年白光LED 誕生并迅速產業化;中村修二、赤崎勇、天野浩3 人因“發明高效GaN 基藍光發光二極管,帶來明亮而節能的白色光源的貢獻”,獲得2014 年度諾貝爾物理學獎。

            近年來,SiC、GaN 射頻電路和電力電子器件顯現出重要的軍事應用和良好的市場前景,發達國家紛紛將其列入國家戰略,投入巨資支持。2014 年初,美國宣布成立“下一代電力電子器件國家制造創新中心”,歐洲啟動了“LAST POWER”產學研項目,日本則設立了“下一代功率半導體封裝技術開發聯盟”。美國計劃在未來5 年內,加速民用SiC、GaN 電力電子器件的研發和產業化,預計節能效果大約相當于900 萬家庭用電總量。當前,中國發展寬禁帶半導體具有良好的機遇和合適的環境。從消費類電子設備、新型半導體照明、新能源汽車、風力發電、航空發動機、新一代移動通信、智能電網、高速軌道交通、大數據中心,到導彈、衛星及電子對抗系統,均對高性能SiC 和GaN 器件有著極大的期待和需求。因此無論從國防安全出發還是以經濟發展的視角,寬禁帶半導體材料的發展空間都很大,市場前景也很好。發展寬禁帶半導體材料需要關注以下幾點。

            1)寬禁帶半導體材料及應用具有學科交叉性強、應用領域廣、產業關聯性大等特點,需要做好頂層設計,進行統籌安排。中國在SiC、GaN 半導體材料的基礎研究、應用研究、產業化方面布局基本合理恰當,各計劃之間注意了協同配合,相信在這次國際發展的浪潮中將會有令人鼓舞的進展。SiC、GaN 于發光領域的進展此處不再贅述,現當務之急是加速SiC、GaN 電力電子器件的研發,拓展在民用領域的應用,搶占下一代功率電子產業的廣闊市場,推動新一代信息技術、新能源產業和中國制造2025 的快速發展。

            2)寬禁帶半導體材料是機遇與挑戰并存的領域。當前,國內SiC和GaN的研究與應用仍存在諸多問題,如襯底材料的完整性、外延層及歐姆接觸的質量、工藝穩定性、器件可靠性以及成本控制等;其產業化的難度比外界想象的還要大。發展寬禁帶半導體,一方面要依靠自主研發,實現技術突破,滿足國防軍工對HEMT、MMIC 等器件和電路的需求,并隨時將成熟技術通過軍民融合向民用領域轉移拓展。另一方面要充分發揮產學研用相結合的作用,開展以需求為導向,以市場為目標的研究與開發,做到克服瓶頸、解決難題、進入市場、用于實際。此外,加強寬禁帶半導體材料研發及應用,急需引進和培養人才雙管齊下,遴選領軍人才、充實技術骨干、加快隊伍建設。

            3)寬禁帶半導體應用研究和產業化是中國的短板。因此需要設計、工藝、材料、可靠性、成品率、性價比全面滿足各類應用系統的要求;同時要注重設備儀器、檢驗標準、稅收政策、金融環境等全產業鏈和產業環境的建設,強化多方配合與協同發展。尤其要支持企業牽頭的應用研發和產業化工作;SiC 和GaN 民用領域廣泛,會出現眾多中小型科技企業,政府應出臺政策、予以鼓勵。

            4)寬禁帶半導體是未來高科技發展的重要方向之一,新一代信息產品市場將是寬禁帶半導體SiC、GaN發展的關鍵驅動力。2015年,TriQuint 和RFMD 兩家公司合并成立Qorvo 公司的目的之一,就是為了爭奪未來5G 移動產品和下一代無線網絡和光網絡的市場。由先進的SiC 和GaN 半導體技術帶動的市場空間將是巨大的,其社會經濟效益也會相當可觀。目前,國際民用電力電子器件產業化發展僅處于起步階段,尚未形成巨大的實際市場。如果集中力量協同創新,有可能在相關領域獲得比較優勢進而占據領先地位。

            5)SiC、GaN材料適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件,能有效提高系統的效率,對發展“大智物移云”具有重要作用。SiC和GaN 器件不會取代硅集成電路。2000 年度諾貝爾物理學獎獲得者阿爾費羅夫即認為:“化合物半導體并非要取代硅,但它能做硅半導體做不到的事情”。未來,SiC、GaN 和硅將在不同的應用領域發揮各自的作用、占據各自的市場份額。即便是電力電子器件,寬禁帶半導體材料也不可能完全替代硅,緣于應用和市場還會細分,同時也要權衡材料與器件的成本和性價比。因此,發展SiC、GaN 材料與器件應避免熱炒概念、一哄而起、盲目投資、互挖人才、低水平重復建設。

            最近,更寬禁帶半導體材料氮化鋁(AlN)、氧化鎵(Ga2O3)特別是金剛石的研發有了令人可喜的進展,國內多個大學和研究單位均研制出較大尺寸的金剛石薄膜及體材料,并得到初步應用的結果。展望未來,進一步加強寬禁帶半導體研發與產業化,對軍事國防安全和戰略新興產業發展將具有舉足輕重的作用。相信我們有能力搶占寬禁帶半導體材料及應用的戰略制高點,為實現世界科技強國的宏偉目標奠定堅實的基礎。

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