王占國院士:發展中國第三代半導體材料機遇大于挑戰

2019-08-14

 

  

 

2017年,中國GaN和SiC器件市場規模已達30.8億元。作爲第三代半導體材料中的代表,近年來GaN和SiC在5G通信技術、新能源汽車以及光電應用等推動之下,始終保持著市場的快速增長。

第三代半導體材料包括碳化矽(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化硼(BN)、金剛石、氮化鋁(AlN)等爲代表的寬禁帶半導體材料。目前研發較爲成熟的材料是SiC和GaN等,其中氮化硼、氮化鋁和金剛石等材料的研究則尚屬于起步階段。

目前,第三代半導體材料因其廣闊的發展前景而被國內外市場所一直看好,已經成爲各國搶占下一代信息技術的重要途徑,也是我國戰略性新興産業的重要組成部分,其研發力度正在不斷加大。

不過,當前我國在第三代化合物半導體産業化領域進展仍然比較緩慢,技術研發也滯後于國際先進水平。近日,中國科學院院士、中國科學院半導體所研究員王占國在接受《高科技與産業化》記者專訪時指出,中國第三代化合物半導體産業化發展機遇大于挑戰,只要在國家的大力支持下,科研單位和相關企業的協作攻關,實現技術趕超世界先進水平是完全可能的。

《高科技與産業化》:

當前,世界各國都在加大力度布局第三代半導體領域,我國在第三代化合物半導體産業化進度卻仍然比較緩慢,您認爲造成這一進展緩慢的原因與瓶頸是什麽?

王占國:

基礎研究是原始創新的源泉,但目前我國尚未建成寬松的知識創新生態環境,導致原始創新成果缺乏,基本上都是“跟著別人屁股後面走”。加之關鍵材料和工藝設備長期依賴進口,所生産的産品性價比不高,缺乏市場競爭力。我認爲,這是造成我國第三代化合物半導體産業化進展緩慢的主要原因。

半導體材料是器件研發的基礎。尤其是以GaN和SiC爲代表的第三代半導體微結構材料,其結構性能決定了器件的質量,而器件又是構成整機的核心;但是往往很多人只看到整機,卻忽視了最關鍵的基礎,材料研發得不到應有的支持。GaN和SiC器件級材料並不是簡單的體材料而是一種微結構。只有把器件級材料結構做好了,器件才能做好,這是最重要的基礎。但是目前決策部門對材料不夠重視,投入的資金與支持也不夠,從而造成了産業發展緩慢。

與此同時,第三代化合物半導體産業還缺乏專項資金支持和拔尖領軍人才,導致無法建立先進的半導體微結構材料生長、器件工藝制備和産品考核實驗平台等等,這些都是制約産業發展的最主要瓶頸。

《高科技與産業化》:

我國是目前全球最大的半導體市場,但國産化規模較小,長期嚴重依賴進口。中國第三代半導體領域也並未實現全産業鏈協同,供應鏈仍然主要依靠國外企業。上述這些情況是否還將會長期存在?

王占國:

我國科研機構和相關企業是“兩張”皮。

科研機構的成果找不到資金,而有資金的企業需要的是馬上能賺錢的成果,這是一對天然的矛盾,至今仍然沒有得到解決。這也導致我國第三代半導體産業尚未形成從材料、器件到整機應用的完整産業鏈,國産元器件性能仍不穩定。因此,爲滿足軍用與民用需求以及占領國內外的市場,整機企業只得依賴進口元器件,我認爲這種現象還會長期存在,一直到國産半導體元器件質量過關爲止。

當前一些進口産品面臨著禁運等風險,我認爲這反而會促使國內研發的加速,從這個角度來看禁運倒並不是件壞事。

不過,未來兩三年之內,我國元器件質量出現重大飛躍的可能性比較低,但在四、五年或許更長一點時間有可能獲得突破;當然,這是基于有關部門的高度重視和大力支持,我國産業結構正加快升級改造等所做出的推斷,但具體發展可能也會存在著變數。

《高科技與産業化》:

當前,國際半導體産業巨頭尚未對第三代半導體行業標准和技術形成完全性的壟斷。我國應當如何努力才能抓住這一重要的窗口期突圍,您認爲應當重點開展推進哪些工作?

王占國:

我建議國家可以設立特別支持成果轉化的風險投資機構,鼓勵有優勢科研單位和資金雄厚的企業開展實質性的合作,在國內外引進拔尖的領軍人才和創新團隊,形成包括高檔LED、GaN基射頻大功率器件和SiC基逆變器功率器件等完整的産業鏈,從這三個方面入手以提高産品的國際市場競爭力。

  最近有報道指披露,阿裏巴巴半導體、百度“昆侖”人工智能和華爲半導體三巨頭將聯手介入我國最薄弱的半導體芯片産業,希望能夠在此領域真正獲得突破。一旦突破就能夠積累寶貴的經驗,就有可能在別的領域也如法炮制獲得成功。我們一直說創新要以企業爲主體,但真正有能力的企業並不多,大企業聯手加入芯片行業有利于行業的快速發展。我認爲資金的投入不是太大的難題,目前國家加上企業的投資金額已經比較可觀,但發展不可能“一口氣吃個胖子”,需要在上述幾個方面有所突破才能帶動整體的發展。

《高科技與産業化》:

目前,美國、日本、歐洲等國家和地區正積極展開全面戰略部署,搶占第三代半導體技術的戰略制高點。在國家政策層面還應當采取哪些措施,以更好地推進我國第三代半導體技術的發展?

王占國:

我國在半導體照明領域取得了長足進步,但多以中低檔LED爲主,競爭力較高,但利潤低。相反,高效、高亮度和長壽命的高檔産品與國外相比,尚存不小的差距。所以我國目前主要的發展目標應是向高附加值的高檔LED沖擊,以占領國際市場。爲此,要進一步提高國産設備的穩定性和可靠性,這是降低成本的關鍵。我國在設備研制已經投入很多資金,現在已經取得一定的成績,但是可靠性和穩定性還是與進口設備相比仍有差距。

我認爲,國內政策層面要積極鼓勵GaN基綠光、紅光的研發,國外在該領域的研究進展也不大。現在我們所說的“白光照明”並不是真正意義上的白光照明,如果GaN基綠光、紅光能做好,就能爲實現真正意義上的RGB白光照明和顯示打下基礎。不過,該領域尤其是GaN紅光的研發是有一定難度的。

目前,我國矽襯底制備GaN基LED具有自主知識産權,比如南昌大學江風益教授的團隊就做得很好。但我們還需進一步提高異質外延材料的質量,以實現大尺寸6~8英寸芯片的規模化生産,參與國際競爭。

《高科技與産業化》:

您怎麽看待我國第三代半導體材料的整體發展前景,哪些領域您覺得有望實現技術領跑?

王占國:

我國第三代半導體材料的發展前景,目前看來是機遇和挑戰共存。如果樂觀一點來看,機遇還是大于挑戰的。要找到實現技術領跑的領域,並不容易,但不是沒有希望,我認爲以下三個方面有存在實現技術領跑的可能性。

首先,發展基于柔性襯底概念的異質外延技術可以作爲切入點。柔性襯底概念是我在2000年提出的,以藍寶石襯底上生長GaN爲例,藍寶石和GaN存在很大的晶格和熱導率的失配,導致在GaN外延層中産生高密度的缺陷,嚴重影響器件性能。如果在中間加入一個柔性層,阻止襯底到外延層缺陷的生長,即把缺陷限制在柔性層或襯底中,從而使得外延材料的質量得到顯著提升。

尤其是在石墨烯二維材料出現後,爲上述概念的實現提供了可能性。我們小組的學生做過一些嘗試,比如在碳化矽的襯底上加高溫使表面一層矽原子揮發,這樣便留下了碳原子。這些碳原子如果能形成石墨烯二維材料,該材料可以作爲中間層,這就有可能得到大面積、質量比較高的外延層。如果這個想法一旦實現,那麽一直困擾異質外延材料質量的大問題便得到了解決,我們就有可能在這個領域實現國際上的引領。

另一方面在GaAlN基,特別在紫外和深紫外LED與LD的技術研發方面,我們和國際上處于同一個起跑線,這個方面經過努力也有可能在獲得技術引領。

同時,還可以開展超寬禁帶半導體材料的預先研究。第三代半導體材料包括寬禁帶和超寬禁帶,禁帶大于2eV的材料稱爲寬禁帶,禁帶大于4eV以上我稱之爲超寬禁帶材料,這其中就包括了很多材料,比如最有應用前景的半導體金剛石單晶材料,高鋁組分的GaAlN和AIN單晶材料生長制備,BN和大直徑4~6英寸β-Ga2O3的制備等,如若獲得突破,必將實現技術領跑。因爲這些領域國外雖然也在研究,但無重大突破。如果在這此領域,特別是如能實現大面積半導體金剛石單晶材料生長和N型摻雜的突破,我國將在超高頻、大功率器件等方面走在世界前列。因此,我國如果提前對超寬禁帶半導體材料的布點研究,在這方面可能會取得技術領先從而實現領跑。

《高科技與産業化》:

您曾經指出,半導體材料發展的趨勢是由三維體材料向低維材料方向發展。目前我國在在低維半導體材料即納米材料領域的發展處于什麽水平?

王占國:

首先認爲,半導體量子點(QD)、量子線(QWs)、量子阱(QW)也是納米材料,這是一種得到廣泛應用的低維材料。有些觀點認爲這不是納米材料,我不太同意這種意見。電子可在三個維度可以自由運動的材料稱爲三維體材料,二維材料電子在平面內可以自由運動,在垂直于平面的方向則不能自由運動,量子線中的電子只能在直線上運動,量子點中的電子在三個方向都不能自由運動。這類材料由于電子運動受限從而有體材料沒有的特殊性質,但是研發難度也很大,需要昂貴的材料生長設備。目前,我國在低維半導體材料領域的研發與國際水平相當,特別在QW、QD材料和量子阱、量子點激光器等的研究水平與國外相當,但在産業化方面與國外差距很大。

近幾年來發展起來的二維材料,是目前材料科學研發的熱點之一,如石墨烯二維材料,MoS2等等。我國雖屬跟蹤研究,但在跟蹤時有創新,如石墨烯的超導行爲的發現,石墨烯基高性能電池等,並在石墨烯高技術開發方面,建立了多個石墨烯産業聯盟和石墨烯産業創新中心等等,但我感覺石墨烯二維材料的産業化應用尚需時日,因爲在實驗室裏取得的成果,距離真正應用還需一段時間去不斷完善,並不會馬上實現産業化。

納米材料的研發我國與世界先進水平持平,發表的論文和申請的專利數量已走在世界前列,但遺憾的是原創性成果並不多。我國在納米碳管研究方面取得了很好的成果,在《自然》和《科學》等一流學術期刊也發表了不少有影響的論文,培養了衆多的人才,但不幸的是,真正得到産業應用的例子卻難找到。

  

  個人名片:

  王占國,半導體材料物理學家,中國科學院半導體所研究員。河南省鎮平人。1962年畢業于南開大學物理系,1995年當選爲中國科學院院士。 

  早期致力于半導體材料光電性質和矽太陽電池輻照效應研究。從1980年起,主要從事半導體深能級物理和光譜物理研究,提出了識別兩個深能級共存系統兩者是否是同—缺陷不同能態的新方法,解決了國際上對GaAs中A、B能級和矽中金受主及金施主能級本質的長期爭論。提出混晶半導體中深能級展寬和光譜譜線分裂的物理模型,解釋了它們的物理起因。提出了GaAs電學補償五能級模型和電學補償新判據。協助林蘭英先生,首次在太空從熔體中生長了GaAs單品並對其光電性質作了系統研究。近年來,他領導的實驗組又在應變自組裝In(Ga)As/GaAs,In(Ga)As/InAlAs/InP等量子點(線)與量子點(線)超晶格材料生長和大功率量子點激光器研制方面獲得突破。他還提出了柔性襯底的概念,開拓了大失配材料體系研制的新方向。

  

   来源:《高科技与产业化》



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