由于我國在第三代半導(dǎo)體材料相關(guān)研究領(lǐng)域起步較晚，目前在材料的自主制備上仍面臨難關(guān)。同時，我國對基礎(chǔ)的材料問題關(guān)注度不夠;一旦投入與支持的力度不夠，相關(guān)人才便很難被吸引，人才隊伍建設(shè)的問題也將逐漸成為發(fā)展瓶頸。

夜幕降臨的北京，你若有機會乘車路過北四環(huán)，都會被那光芒四射、異彩紛呈的鳥巢、水立方所吸引，甚至忍不住駐足欣賞。

這些流光溢彩建筑的背后，主要得益于半導(dǎo)體照明技術(shù)的充分運用。

可惜的是，水立方44萬套LED照明設(shè)備、鳥巢約25.8萬套LED照明設(shè)備都采購自美國科銳(CREE)公司，難覓“國產(chǎn)”的蹤影。

實際上，隨著第三代半導(dǎo)體材料成為全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點，我國在半導(dǎo)體材料發(fā)光器件、微波功率器件等關(guān)鍵研究領(lǐng)域正迎頭趕上，甚至開始試產(chǎn)、試用，然而與國外同行相比，差距猶存。

“最大的瓶頸是什么?是原材料。”中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員、中國電子學(xué)會半導(dǎo)體與集成技術(shù)分會秘書長王曉亮表示，原材料的質(zhì)量、制備問題，亟待破解。

“寬禁帶”前景廣闊

材料、信息、能源構(gòu)筑的當(dāng)代文明社會，缺一不可。中科院院士、半導(dǎo)體物理專家黃昆與夏建白曾指出，“半導(dǎo)體不僅具有極其豐富的物理內(nèi)涵，而且其性能可以置于不斷發(fā)展的精密工藝控制之下”，可謂是“最有料”的材料。

相比第二代半導(dǎo)體材料(以砷化鎵和磷化銦為代表)，以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料具有功率密度大、體積小、質(zhì)量輕的性質(zhì)，應(yīng)用前景廣闊，被認(rèn)為是第三代半導(dǎo)體材料。

“尤其是在半導(dǎo)體照明和微波功率器件等方面，許多國家都在新一代半導(dǎo)體材料上加緊部署，不甘落后。”王曉亮表示，半導(dǎo)體白光照明號稱“繼愛迪生發(fā)明燈泡之后的第二次照明革命”。

目前，半導(dǎo)體發(fā)光器件的應(yīng)用范圍之廣，覆蓋了幾乎人們可見到的各類信號燈、車內(nèi)照明、信息屏、彩色顯示設(shè)備，甚至實現(xiàn)白光照明。

半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長吳玲認(rèn)為，在未來的數(shù)年內(nèi)，中國有機會成為世界半導(dǎo)體照明的產(chǎn)業(yè)強國。

王曉亮告訴記者，氮化鎵的功率密度是砷化鎵的10~30倍;另外它的極限工作溫度也比較高，這弱化了散熱的問題。使用該材料制備的微波功率器件，將能夠更好地用于通信、雷達(dá)、手機基站、信息處理、自動化控制等關(guān)鍵領(lǐng)域。

“在微波功率器件上的應(yīng)用，是各國爭奪的戰(zhàn)略高地。”王曉亮說，這些無論是在軍用領(lǐng)域還是在民用市場，都非常重要。

以寬禁帶半導(dǎo)體材料制備的新一代電力電子器件損耗更低，效率更高，有望在“智能電網(wǎng)”工程中一展身手。王曉亮對記者說，新一代的電力電子器件(如氮化鎵和碳化硅材料的功率開關(guān))將會在電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各個環(huán)節(jié)發(fā)揮節(jié)能效用，降低電力損耗。

跨越發(fā)展的契機

“如果我們能抓住以氮化物為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料發(fā)展的機遇，將提供給我們實現(xiàn)跨越發(fā)展的契機。”王曉亮表示。

毫無疑問，我國作為世界上最大的電子產(chǎn)品設(shè)備生產(chǎn)和消費國及最大的半導(dǎo)體材料消費國，在半導(dǎo)體材料方面實現(xiàn)跨越式發(fā)展，戰(zhàn)略意義重大。

“在崛起發(fā)展的過程中，一些西方國家從未間斷對我國的騷擾，竭力遏制我們的發(fā)展。軍事、經(jīng)濟、貨幣等方面的壓制，歸結(jié)起來都是科技力量的角逐。”王曉亮說，只有依靠科技創(chuàng)新，才有自主保障，才不會被別有用心的勢力所牽制。

據(jù)王曉亮介紹，美國早在1993年就已經(jīng)研制出第一支氮化鎵的材料和器件，而我國最早的研究隊伍——中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在1995年也起步該方面的研究，并于2000年做出HEMT結(jié)構(gòu)材料(高電子遷移率晶體管)。

自此之后，半導(dǎo)體所成績斐然，先后合作研制出我國第一支GaN基HEMT器件、第一支GaN基X波段微波功率器件、第一塊GaN基微波單片集成電路等等。

經(jīng)過多年的創(chuàng)新研究，我國在一些研究中也逐漸躋身前列，例如我國中科院半導(dǎo)體所研制的AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)的室溫遷移率超過2100cm2/v·s，具有世界領(lǐng)先水平。

“國外比我們先行一步，我們承認(rèn)差距，但是我們要本著‘引進—消化—吸收—創(chuàng)新’的科學(xué)態(tài)度，學(xué)習(xí)他們的先進經(jīng)驗，節(jié)約我們的資源和時間成本，跨越發(fā)展，最終通過自主創(chuàng)新實現(xiàn)超越。”王曉亮說。

自主制備面臨難關(guān)

王曉亮表示，我國目前在第三代半導(dǎo)體材料的自主制備上仍面臨難關(guān)。

湖南大學(xué)應(yīng)用物理系副教授曾健平撰文指出，目前我國對SiC晶元的制備尚為空缺，實驗的材料多來自于美國，新材料的制備需要新的生產(chǎn)線及新的工藝，而當(dāng)前的情況是，我國的大多數(shù)設(shè)備都靠國外進口。

MOCVD系統(tǒng)是LED外延片、微波功率的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料生產(chǎn)的必需設(shè)備，隨著化合物半導(dǎo)體器件市場的不斷擴大，MOCVD系統(tǒng)的需求量不斷增長，而我國幾乎全部依賴進口。

據(jù)了解，國際上主要的MOCVD設(shè)備供應(yīng)商——德國AIXTRON公司和美國VEECO公司——對單臺MOCVD設(shè)備的報價達(dá)2000萬元人民幣，而我國2012年即購入數(shù)十臺，費用令人咋舌。

即便如此，類似MOCVD系統(tǒng)這樣的關(guān)鍵的設(shè)備，涉及國防科技，即使依靠進口也難以獲得最優(yōu)性能。“國外能隨隨便便把最好的設(shè)備賣給你嗎?”王曉亮反問道。

據(jù)悉，自上世紀(jì)80年代以來，我國MOCVD設(shè)備國產(chǎn)化之路并非順風(fēng)順?biāo)两裎覈鳰OCVD設(shè)備還停留在工程樣機階段，目前僅用于科研，尚無能夠提供用于成熟工業(yè)化生產(chǎn)的MOCVD設(shè)備的廠家。

“材料本身的顯示度不大，人們對材料的關(guān)注容易被弱化。”王曉亮認(rèn)為材料制備方面欠賬的原因之一，是材料沒有受到應(yīng)有的重視。

“材料位于產(chǎn)業(yè)鏈中的上游，如果對材料重視不夠，中游的器件和電路、下游的系統(tǒng)可想而知。”王曉亮說，產(chǎn)業(yè)鏈下游的產(chǎn)出要以上游材料為基礎(chǔ)，而事實上我國對基礎(chǔ)的材料問題的關(guān)注度不夠;一旦投入與支持的力度不夠，相關(guān)人才便很難被吸引，人才隊伍建設(shè)的問題也將逐漸成為發(fā)展瓶頸。