中国第3代半导体面临难关 国防所需严重受限

       夜幕降临的北京，你若有机会乘车路过北四环，都会被那光芒四射、异彩纷呈的鸟巢、水立方所吸引，甚至忍不住驻足欣赏。

       这些流光溢彩建筑的背后，主要得益于半导体照明技术的充分运用。

       可惜的是，水立方44万套LED照明设备、鸟巢约25.8万套LED照明设备都采购自美国科锐（CREE）公司，难觅“国产”的踪影。

       由于我国在第三代半导体材料相关研究领域起步较晚，目前在材料的自主制备上仍面临难关。同时，我国对基础的材料问题关注度不够；一旦投入与支持的力度不够，相关人才便很难被吸引，人才队伍建设的问题也将逐渐成为发展瓶颈。


       实际上，随着第三代半导体材料成为全球半导体研究的前沿和热点，我国在半导体材料发光器件、微波功率器件等关键研究领域正迎头赶上，甚至开始试产、试用，然而与国外同行相比，差距犹存。

       “最大的瓶颈是什么？是原材料。”中国科学院半导体研究所研究员、中国电子学会半导体与集成技术分会秘书长王晓亮在接受《中国科学报》记者采访时说，原材料的质量、制备问题，亟待破解。

 
“宽禁带”前景广阔

       材料、信息、能源构筑的当代文明社会，缺一不可。中科院院士、半导体物理专家黄昆与夏建白曾指出，“半导体不仅具有极其丰富的物理内涵，而且其性能可以置于不断发展的精密工艺控制之下”，可谓是“最有料”的材料。

       相比第二代半导体材料（以砷化镓和磷化铟为代表），以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的宽禁带半导体材料具有功率密度大、体积小、质量轻的性质，应用前景广阔，被认为是第三代半导体材料。

       “尤其是在半导体照明和微波功率器件等方面，许多国家都在新一代半导体材料上加紧部署，不甘落后。”王晓亮表示，半导体白光照明号称“继爱迪生发明灯泡之后的第二次照明革命”。

       目前，半导体发光器件的应用范围之广，覆盖了几乎人们可见到的各类信号灯、车内照明、信息屏、彩色显示设备，甚至实现白光照明。

       半导体照明产业技术创新战略联盟秘书长吴玲认为，在未来的数年内，中国有机会成为世界半导体照明的产业强国。

       王晓亮告诉记者，氮化镓的功率密度是砷化镓的10~30倍；另外它的极限工作温度也比较高，这弱化了散热的问题。使用该材料制备的微波功率器件，将能够更好地用于通信、雷达、手机基站、信息处理、自动化控制等关键领域。

       “在微波功率器件上的应用，是各国争夺的战略高地。”王晓亮说，这些无论是在军用领域还是在民用市场，都非常重要。

       以宽禁带半导体材料制备的新一代电力电子器件损耗更低，效率更高，有望在“智能电网”工程中一展身手。王晓亮对记者说，新一代的电力电子器件（如氮化镓和碳化硅材料的功率开关）将会在电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节发挥节能效用，降低电力损耗。

跨越发展的契机

       “如果我们能抓住以氮化物为代表的宽禁带半导体材料发展的机遇，将提供给我们实现跨越发展的契机。”王晓亮表示。

       毫无疑问，我国作为世界上最大的电子产品设备生产和消费国及最大的半导体材料消费国，在半导体材料方面实现跨越式发展，战略意义重大。

       “在崛起发展的过程中，一些西方国家从未间断对我国的骚扰，竭力遏制我们的发展。军事、经济、货币等方面的压制，归结起来都是科技力量的角逐。”王晓亮说，只有依靠科技创新，才有自主保障，才不会被别有用心的势力所牵制。

       据王晓亮介绍，美国早在1993年就已经研制出第一支氮化镓的材料和器件，而我国最早的研究队伍——中国科学院半导体研究所在1995年也起步该方面的研究，并于2000年做出HEMT结构材料（高电子迁移率晶体管）。

       自此之后，半导体所成绩斐然，先后合作研制出我国第一支GaN基HEMT器件、第一支GaN基X波段微波功率器件、第一块GaN基微波单片集成电路等等。

       经过多年的创新研究，我国在一些研究中也逐渐跻身前列，例如我国中科院半导体所研制的AlGaN/GaN结构的室温迁移率超过2100cm2/v·s，具有世界领先水平。
       
       “国外比我们先行一步，我们承认差距，但是我们要本着‘引进—消化—吸收—创新’的科学态度，学习他们的先进经验，节约我们的资源和时间成本，跨越发展，最终通过自主创新实现超越。”王晓亮说。

自主制备面临难关

       王晓亮告诉记者，我国目前在第三代半导体材料的自主制备上仍面临难关。

       湖南大学应用物理系副教授曾健平撰文指出，目前我国对SiC晶元的制备尚为空缺，实验的材料多来自于美国，新材料的制备需要新的生产线及新的工艺，而当前的情况是，我国的大多数设备都靠国外进口。

       MOCVD系统是LED外延片、微波功率的异质结构材料生产的必需设备，随着化合物半导体器件市场的不断扩大，MOCVD系统的需求量不断增长，而我国几乎全部依赖进口。

       据了解，国际上主要的MOCVD设备供应商——德国AIXTRON公司和美国VEECO公司——对单台MOCVD设备的报价达2000万元人民币，而我国2012年即购入数十台，费用令人咋舌。

       即便如此，类似MOCVD系统这样的关键的设备，涉及国防科技，即使依靠进口也难以获得最优性能。“国外能随随便便把最好的设备卖给你吗？”王晓亮反问道。

       据悉，自上世纪80年代以来，我国MOCVD设备国产化之路并非顺风顺水，至今我国MOCVD设备还停留在工程样机阶段，目前仅用于科研，尚无能够提供用于成熟工业化生产的MOCVD设备的厂家。

       “材料本身的显示度不大，人们对材料的关注容易被弱化。”王晓亮认为材料制备方面欠账的原因之一，是材料没有受到应有的重视。

       “材料位于产业链中的上游，如果对材料重视不够，中游的器件和电路、下游的系统可想而知。”王晓亮说，产业链下游的产出要以上游材料为基础，而事实上我国对基础的材料问题的关注度不够；一旦投入与支持的力度不够，相关人才便很难被吸引，人才队伍建设的问题也将逐渐成为发展瓶颈。