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王占国院士:发展中国第三代半导体材料机遇大于挑战

2019-08-14
 

 

  

2017年,中国GaN和SiC器件市场规模已达30.8亿元。作为第三代半导体材料中的代表,近年来GaN和SiC在5G通信技术、新能源汽车以及光电应用等推动之下,始终保持着市场的快速增长。

第三代半导体材料包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化硼(BN)、金刚石、氮化铝(AlN)等为代表的宽禁带半导体材料。目前研发较为成熟的材料是SiC和GaN等,其中氮化硼、氮化铝和金刚石等材料的研究则尚属于起步阶段。

目前,第三代半导体材料因其广阔的发展前景而被国内外市场所一直看好,已经成为各国抢占下一代信息技术的重要途径,也是我国战略性新兴产业的重要组成部分,其研发力度正在不断加大。

不过,当前我国在第三代化合物半导体产业化领域进展仍然比较缓慢,技术研发也滞后于国际先进水平。近日,中国科学院院士、中国科学院幸运pk10研究员王占国在接受《高科技与产业化》记者专_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x0008_访时指出,中国第三代化合物半导体产业化发展机遇大于挑战,只要在国家的大力支持下,科研单位和相关企业的协作攻关,实现技术赶超世界先进水平是完全可能的。

《高科技与产业化》:

当前,世界各国都在加大力度布局第三代半导体领域,我国在第三代化合物半导体产业化进度却仍然比较缓慢,您认为造成这一进展缓慢的原因与瓶颈是什么?

王占国:

基础研究是原始创新的源泉,但目前我国尚未建成宽松的知识创新生态环境,导致原始创新成果缺乏,基本上都是“跟着别人屁股后面走”。加之关键材料和工艺设备长期依赖进口,所生产的产品性价比不高,缺乏市场竞争力。我认为,这是造成我国第三代化合物半导体产业化进展缓慢的主要原因。

半导体材料是器件研发的基础。尤其是以GaN和SiC为代表的第三代半导体微结构材料,其结构性能决定了器件的质量,而器件又是构成整机的核心;但是往往很多人只看到整机,却忽视了最关键的基础,材料研发得不到应有的支持。GaN和SiC器件级材料并不是简单的体材料而是一种微结构。只有把器件级材料结构做好了,器件才能做好,这是最重要的基础。但是目前决策部门对材料不够重视,投入的资金与支持也不够,从而造成了产业发展缓慢。

与此同时,第三代化合物半导体产业还缺乏专_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x0008_项资金支持和拔尖领军人才,导致无法建立先进的半导体微结构材料生长、器件工艺制备和产品考核实验平台等等,这些都是制约产业发展的最主要瓶颈。

《高科技与产业化》:

我国是目前全球最大的半导体市场,但国产化规模较小,长期严重依赖进口。中国第三代半导体领域也并未实现全产业链协同,供应链仍然主要依靠国外企业。上述这些情况是否还将会长期存在?

王占国:

我国科研机构和相关企业是“两张”皮。

科研机构的成果找不到资金,而有资金的企业需要的是马上能赚钱的成果,这是一对天然的矛盾,至今仍然没有得到解决。这也导致我国第三代半导体产业尚未形成从材料、器件到整机应用的完整产业链,国产元器件性能仍不稳定。因此,为满足军用与民用需求以及占领国内外的市场,整机企业只得依赖进口元器件,我认为这种现象还会长期存在,一直到国产半导体元器件质量过关为止。

当前一些进口产品面临着禁运等风险,我认为这反而会促使国内研发的加速,从这个角度来看禁运倒并不是件坏事。

不过,未来两三年之内,我国元器件质量出现重大飞跃的可能性比较低,但在四、五年或许更长一点时间有可能获得突破;当然,这是基于有关部门的高度重视和大力支持,我国产业结构正加快升级改造等所做出的推断,但具体发展可能也会存在着变数。

《高科技与产业化》:

当前,国际半导体产业巨头尚未对第三代半导体行业标准和技术形成完全性的垄断。我国应当如何努力才能抓住这一重要的窗口期突围,您认为应当重点开展推进哪些工作?

王占国:

我建议国家可以设立特别支持成果转化的风险投资机构,鼓励有优势科研单位和资金雄厚的企业开展实质性的合作,在国内外引进拔尖的领军人才和创新团队,形成包括高档LED、GaN基射频大功率器件和SiC基逆变器功率器件等完整的产业链,从这三个方面入手以提高产品的国际市场竞争力。

  最近有报道指披露,阿里巴巴半导体、百度“昆仑”人工智能和华为半导体三巨头将联手介入我国最薄弱的半导体芯片产业,希望能够在此领域真正获得突破。一旦突破就能够积累宝贵的经验,就有可能在别的领域也如法炮制获得成功。我们一直说创新要以企业为主体,但真正有能力的企业并不多,大企业联手加入芯片行业有利于行业的快速发展。我认为资金的投入不是太大的难题,目前国家加上企业的投资金额已经比较可观,但发展不可能“一口气吃个胖子”,需要在上述几个方面有所突破才能带动整体的发展。

《高科技与产业化》:

目前,美国、日本、欧洲等国家和地区正积极展开全面战略部署,抢占第三代半导体技术的战略制高点。在国家政策层面还应当采取哪些措施,以更好地推进我国第三代半导体技术的发展?

王占国:

我国在半导体照明领域取得了长足进步,但多以中低档LED为主,竞争力较高,但利润低。相反,高效、高亮度和长寿命的高档产品与国外相比,尚存不小的差距。所以我国目前主要的发展目标应是向高附加值的高档LED冲击,以占领国际市场。为此,要进一步提高国产设备的稳定性和可靠性,这是降低成本的关键。我国在设备研制已经投入很多资金,现在已经取得一定的成绩,但是可靠性和稳定性还是与进口设备相比仍有差距。

我认为,国内政策层面要积极鼓励GaN基绿光、红光的研发,国外在该领域的研究进展也不大。现在我们所说的“白光照明”并不是真正意义上的白光照明,如果GaN基绿光、红光能做好,就能为实现真正意义上的RGB白光照明和显示打下基础。不过,该领域尤其是GaN红光的研发是有一定难度的。

目前,我国硅衬底制备GaN基LED具有自主知识产权,比如南昌大学江风益教授的团队就做得很好。但我们还需进一步提高异质外延材料的质量,以实现大尺寸6~8英寸芯片的规模化生产,参与国际竞争。

《高科技与产业化》:

您怎么看待我国第三代半导体材料的整体发展前景,哪些领域您觉得有望实现技术领跑?

王占国:

我国第三代半导体材料的发展前景,目前看来是机遇和挑战共存。如果乐观一点来看,机遇还是大于挑战的。要找到实现技术领跑的领域,并不容易,但不是没有希望,我认为以下三个方面有存在实现技术领跑的可能性。

首先,发展基于柔性衬底概念的异质外延技术可以作为切入点。柔性衬底概念是我在2000年提出的,以蓝宝石衬底上生长GaN为例,蓝宝石和GaN存在很大的晶格和热导率的失配,导致在GaN外延层中产生高密度的缺陷,严重影响器件性能。如果在中间加入一个柔性层,阻止衬底到外延层缺陷的生长,即把缺陷限制在柔性层或衬底中,从而使得外延材料的质量得到显着提升。

尤其是在石墨烯二维材料出现后,为上述概念的实现提供了可能性。我们小组的学生做过一些尝试,比如在碳化硅的衬底上加高温使表面一层硅原子挥发,这样便留下了碳原子。这些碳原子如果能形成石墨烯二维材料,该材料可以作为中间层,这就有可能得到大面积、质量比较高的外延层。如果这个想法一旦实现,那么一直困扰异质外延材料质量的大问题便得到了解决,我们就有可能在这个领域实现国际上的引领。

另一方面在GaAlN基,特别在紫外和深紫外LED与LD的技术研发方面,我们和国际上处于同一个起跑线,这个方面经过努力也有可能在获得技术引领。

同时,还可以开展超宽禁带半导体材料的预先研究。第三代半导体材料包括宽禁带和超宽禁带,禁带大于2eV的材料称为宽禁带,禁带大于4eV以上我称之为超宽禁带材料,这其中就包括了很多材料,比如最有应用前景的半导体金刚石单晶材料,高铝组分的GaAlN和AIN单晶材料生长制备,BN和大直径4~6英寸β-Ga2O3的制备等,如若获得突破,必将实现技术领跑。因为这些领域国外虽然也在研究,但无重大突破。如果在这此领域,特别是如能实现大面积半导体金刚石单晶材料生长和N型掺杂的突破,我国将在超高频、大功率器件等方面走在世界前列。因此,我国如果提前对超宽禁带半导体材料的布点研究,在这方面可能会取得技术领先从而实现领跑。

《高科技与产业化》:

您曾经指出,半导体材料发展的趋势是由三维体材料向低维材料方向发展。目前我国在在低维半导体材料即纳米材料领域的发展处于什么水平?

王占国:

首先认为,半导体量子点(QD)、量子线(QWs)、量子阱(QW)也是纳米材料,这是一种得到广泛应用的低维材料。有些观点认为这不是纳米材料,我不太同意这种意见。电子可在三个维度可以自由运动的材料称为三维体材料,二维材料电子在平面内可以自由运动,在垂直于平面的方向则不能自由运动,量子线中的电子只能在直线上运动,量子点中的电子在三个方向都不能自由运动。这类材料由于电子运动受限从而有体材料没有的特殊性质,但是研发难度也很大,需要昂贵的材料生长设备。目前,我国在低维半导体材料领域的研发与国际水平相当,特别在QW、QD材料和量子阱、量子点激光器等的研究水平与国外相当,但在产业化方面与国外差距很大。

近几年来发展起来的二维材料,是目前材料科学研发的热点之一,如石墨烯二维材料,MoS2等等。我国虽属跟踪研究,但在跟踪时有创新,如石墨烯的超导行为的发现,石墨烯基高性能电池等,并在石墨烯高技术开发方面,建立了多个石墨烯产业联盟和石墨烯产业创新中心等等,但我感觉石墨烯二维材料的产业化应用尚需时日,因为在实验室里取得的成果,距离真正应用还需一段时间去不断完善,并不会马上实现产业化。

纳米材料的研发我国与世界先进水平持平,发表的论文和申请的专_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x005f_x0008_利数量已走在世界前列,但遗憾的是原创性成果并不多。我国在纳米碳管研究方面取得了很好的成果,在《自然》和《科学》等一流学术期刊也发表了不少有影响的论文,培养了众多的人才,但不幸的是,真正得到产业应用的例子却难找到。

  

  个人名片:

  王占国,半导体材料物理学家,中国科学院幸运pk10研究员。河南省镇平人。1962年毕业于南开大学物理系,1995年当选为中国科学院院士。 

  早期致力于半导体材料光电性质和硅太阳电池辐照效应研究。从1980年起,主要从事半导体深能级物理和光谱物理研究,提出了识别两个深能级共存系统两者是否是同—缺陷不同能态的新方法,解决了国际上对GaAs中A、B能级和硅中金受主及金施主能级本质的长期争论。提出混晶半导体中深能级展宽和光谱谱线分裂的物理模型,解释了它们的物理起因。提出了GaAs电学补偿五能级模型和电学补偿新判据。协助林兰英先生,首次在太空从熔体中生长了GaAs单品并对其光电性质作了系统研究。近年来,他领导的实验组又在应变自组装In(Ga)As/GaAs,In(Ga)As/InAlAs/InP等量子点(线)与量子点(线)超晶格材料生长和大功率量子点激光器研制方面获得突破。他还提出了柔性衬底的概念,开拓了大失配材料体系研制的新方向。

  

   来源:《高科技与产业化》



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