屠海令院士：加強寬禁帶半導體材料的研發與應用

　　2017-12-28 10:20操作系統

　　

　　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、先進位造、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 公司成功製備直徑100 mm 的SiC 零微管襯底，而後推出二極體產品並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 外延藍光二極體研製成功，1996 年白光LED 誕生並迅速產業化；中村修二、赤崎勇、天野浩3 人因「發明高效GaN 基藍光發光二極體，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製造創新中心」，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於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 於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，搶佔下一代功率電子產業的廣闊市場，推動新一代信息技術、新能源產業和中國製造2025 的快速發展。

　　2）寬禁帶半導體材料是機遇與挑戰並存的領域。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，並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、用於實際。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、充實技術骨幹、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，政府應出台政策、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 兩家公司合併成立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路和光網路的市場。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於起步階段，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佔據領先地位。

　　5）SiC、GaN材料適合製作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，能有效提高系統的效率，對發展「大智物移雲」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：「化合物半導體並非要取代硅，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、佔據各自的市場份額。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，緣於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、低水平重複建設。

　　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製出較大尺寸的金剛石薄膜及體材料，並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。相信我們有能力搶佔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。

　　作者簡介： 屠海令，北京市人，半導體材料專家，中國工程院院士。現任北京有色金屬研究總院名譽院長、中國有色金屬工業協會特邀副會長、中國半導體行業協會副理事長。主要研究方向為硅、化合物半導體、稀土半導體晶體生長，硅基半導體材料製備，半導體材料與器件性能關係，納米半導體材料和高k材料等。

　　注：本文發表在2017年第23期《科技導報》，歡迎關注。