怎樣讓第三代半導(dǎo)體這個(gè)“貴族”平民化？

半導(dǎo)體是指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有硅、鍺等，其中，硅是在商業(yè)應(yīng)用上最具有影響力的一種。第三代半導(dǎo)體，主要包括目前即將成熟應(yīng)用的碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN），也包括其他氮化物半導(dǎo)體、氧化物半導(dǎo)體和金剛石等寬禁帶及超寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點(diǎn)，因此也被業(yè)內(nèi)譽(yù)為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動(dòng)機(jī)”。

2018年3月31日，深圳第三代半導(dǎo)體研究院成立。2018年7月底，研究院正式投入實(shí)際的研發(fā)工作，啟動(dòng)第一批研發(fā)項(xiàng)目。如今，在南方科技大學(xué)臺(tái)州樓的深圳第三代半導(dǎo)體研究院，已有一個(gè)40多人的團(tuán)隊(duì)，均為國(guó)內(nèi)、國(guó)際一流的人才，其中一半以上從事科學(xué)研究工作。

對(duì)第三代半導(dǎo)體的開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)應(yīng)用空間，研究院院長(zhǎng)趙玉海相當(dāng)有信心，認(rèn)為“其發(fā)展空間巨大”。第三代半導(dǎo)體素有半導(dǎo)體“貴族”之稱，趙玉海和他的團(tuán)隊(duì)成員，如今正努力做著一件事——讓第三代半導(dǎo)體這個(gè)“貴族”平民化。

市場(chǎng)需求推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

去年高交會(huì)期間，第三代半導(dǎo)體研究院與龍華區(qū)簽訂了合作框架協(xié)議，選擇落戶龍華，以深圳報(bào)業(yè)集團(tuán)舊廠房改造研究實(shí)驗(yàn)室用地。這意味著未來(lái)幾年，這個(gè)由深圳第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟牽頭，聯(lián)合南方科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中科院等高校、科研究所、骨干企業(yè)共建的新型民辦非盈利研發(fā)機(jī)構(gòu)將在龍華研究新型的第三代半導(dǎo)體材料，并助力龍華在新能源汽車、移動(dòng)通信、消費(fèi)電子、光電顯示等領(lǐng)域提升核心競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展。

在談及第三代半導(dǎo)體之前，趙玉海首先普及了第一代和第二代半導(dǎo)體的發(fā)展情況。趙玉海表示，第一代半導(dǎo)體是以整合硅、鍺元素等為代表的半導(dǎo)體材料，其優(yōu)勢(shì)是周期長(zhǎng)，發(fā)展成熟，成本低；第二代半導(dǎo)體材料是化合物半導(dǎo)體材料，屬于高頻段半導(dǎo)體；而第三代半導(dǎo)體則是以碳化硅、氮化鎵等為代表，目前處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期?！暗谌雽?dǎo)體的出現(xiàn)，并不是一種替代關(guān)系，而是與前兩代半導(dǎo)體共存的關(guān)系?！壁w玉海說(shuō)。

業(yè)界對(duì)第三代半導(dǎo)體有一個(gè)形象的比喻，稱第三代半導(dǎo)體材料為“半導(dǎo)體中的貴族”，因?yàn)槠涑杀靖甙?。其?shí)，早在20多年前，國(guó)際上已經(jīng)掀起了研究第三代半導(dǎo)體之風(fēng)，但由于成本高，市場(chǎng)發(fā)展不夠成熟，所以一直未形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。如今，科技創(chuàng)新打開(kāi)了市場(chǎng)需求，第三代半導(dǎo)體研發(fā)正當(dāng)時(shí)。

“以現(xiàn)在發(fā)展的5G技術(shù)為例，第一代半導(dǎo)體的整合硅材料已經(jīng)難以適應(yīng)5G技術(shù)的發(fā)展需求，如果采用了氮化鎵，優(yōu)勢(shì)立刻就凸顯出來(lái)了。以氮化鎵作為主要材料生產(chǎn)光伏變壓器可比硅材料的變壓器提高2%-3%的轉(zhuǎn)化率，這對(duì)大型企業(yè)而言，非常有利?！壁w玉海舉例說(shuō)明。

力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈全覆蓋

“既然說(shuō)第三代半導(dǎo)體是‘貴族’，那么我們現(xiàn)在的主要任務(wù)就是讓其平民化?！壁w玉海說(shuō)。

深圳是個(gè)創(chuàng)新發(fā)展的活力之城，既有包容性，又呈現(xiàn)開(kāi)放性，能夠給新興產(chǎn)業(yè)以及配套產(chǎn)業(yè)提供給一個(gè)巨大的發(fā)展空間。按照原計(jì)劃，第三代半導(dǎo)體研究院的選址就落在南方科技大學(xué)，但因?yàn)榉N種原因，研究院不得不考慮遷址。

趙玉海說(shuō)：“首先，我們需要的場(chǎng)地面積大，要20000平方米；其次，對(duì)層高要求也比較嚴(yán)苛，至少要6米以上，便于上下安裝實(shí)驗(yàn)管道和空調(diào)?！睓C(jī)緣巧合，第三代半導(dǎo)體研究院與龍華“相遇”。“龍華區(qū)政府非常有誠(chéng)意，相關(guān)部門積極主動(dòng)與我們對(duì)接，并且給了很大的支持力度，配套產(chǎn)業(yè)鏈條也相當(dāng)成熟，因此我們決定把研究院放在龍華?！?/p>

有別于一心埋首做研究的團(tuán)隊(duì)，對(duì)第三代半導(dǎo)體研究院的發(fā)展，趙玉海有明晰的計(jì)劃和發(fā)展目標(biāo)。“從襯底到外延再到芯片、模組，最后走向市場(chǎng)化應(yīng)用，我們希望打通產(chǎn)業(yè)鏈上的所有關(guān)卡，實(shí)現(xiàn)全覆蓋?！壁w玉海說(shuō)，無(wú)論是何種材料研發(fā)，都會(huì)面臨一個(gè)技術(shù)難題，即需要穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)技術(shù)來(lái)支撐。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室研究出來(lái)的成果，并不代表可以立即投入到生產(chǎn)中。要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈全覆蓋，而且不允許任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)短板，這其中的難度可想而知。

目前，趙玉海帶領(lǐng)的這個(gè)40多人的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)形成了三支隊(duì)伍，分別從氮化鎵光電、半導(dǎo)體芯片封裝以及襯底材料三個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，預(yù)期到年底，第三代半導(dǎo)體研究院就會(huì)推出一批科研成果，并推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。“其實(shí)，我們做好了規(guī)劃，每年都會(huì)出一批成果，而且，我們有專業(yè)的孵化器，能起到帶動(dòng)效應(yīng)，讓這些項(xiàng)目成果盡快孵化。”

升級(jí)打造產(chǎn)業(yè)新引擎

如果說(shuō)，很多人不太了解何謂光電子，那么利用光電子發(fā)展領(lǐng)域中的發(fā)光優(yōu)勢(shì)所研發(fā)的照明技術(shù)，相信很多人都不陌生了。“我們所熟知的LED照明就是早年利用第三代半導(dǎo)體材料光電子發(fā)光優(yōu)勢(shì)而開(kāi)發(fā)出來(lái)的，目前應(yīng)用十分普遍，技術(shù)也趨于成熟。”趙玉海說(shuō)，未來(lái)第三代半導(dǎo)體的研究方向，將集中在三個(gè)方面：光電子、電力電子以及微波射頻。

光電子方向，第三代半導(dǎo)體材料可凸顯發(fā)光優(yōu)勢(shì)中的亮度優(yōu)勢(shì)，未來(lái)會(huì)朝Micro-Led與其他新興顯示技術(shù)方向發(fā)展。電路電子領(lǐng)域的發(fā)展空間非常巨大，跟城市發(fā)展中的電力傳輸、消費(fèi)均有關(guān)系，亦可開(kāi)發(fā)新材料應(yīng)用，運(yùn)用在環(huán)保和工業(yè)上?！斑€有一個(gè)重要的發(fā)展方向是能源互聯(lián)網(wǎng)，像驅(qū)動(dòng)輪船、電動(dòng)汽車、空調(diào)等，都可以利用能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)，達(dá)到產(chǎn)品輕量化和降低能源消耗的目的。”

面向未來(lái)的5G移動(dòng)通信，海量的設(shè)備連接和新的應(yīng)用場(chǎng)景等，對(duì)超高的流量密度、連接數(shù)密度和移動(dòng)性都提出了新的要求。第三代半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)的微波射頻技術(shù)，可超越前兩代半導(dǎo)體技術(shù)的承載能力，體現(xiàn)出更高頻、高效、低功耗和高功率密度的優(yōu)點(diǎn)。除了民用的5G通信技術(shù)，微波射頻同樣可用于軍用領(lǐng)域?！熬湍美走_(dá)來(lái)說(shuō)，用第三代半導(dǎo)體材料，可實(shí)現(xiàn)在目前探測(cè)距離的基礎(chǔ)上翻一番，讓探測(cè)更精確?！?/p>

研究院?jiǎn)?dòng)之初，提出了五年內(nèi)要實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際一流；十年內(nèi)國(guó)際領(lǐng)先，立足深圳、覆蓋粵港澳大灣區(qū)、面向全國(guó)，輻射全球的計(jì)劃。同樣以五年為期，趙玉海說(shuō)，屆時(shí)他的團(tuán)隊(duì)要發(fā)展至450人。集各方智慧，打造開(kāi)放研究的平臺(tái)，為產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供技術(shù)支撐，這也是設(shè)立第三代半導(dǎo)體研究院最重要的意義。
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