加強寬禁帶半導體材料的研發(fā)與應用

屠海令

（北京有色金屬研究總院，北京100088）

加強寬禁帶半導體材料的研發(fā)與應用

屠海令

（北京有色金屬研究總院，北京100088）

寬禁帶（一般指禁帶寬度＞2.3 eV）半導體材料的研發(fā)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(yōu)良的高頻功率特性、高溫性能穩(wěn)定和低能量損耗等優(yōu)勢，成為支撐信息、能源、交通、先進制造、國防等領域發(fā)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公司成功制備直徑100 mm的SiC零微管襯底，而后推出二極管產品并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(fā)展，1993年GaN外延藍光二極管研制成功，1996年白光LED誕生并迅速產業(yè)化；中村修二、赤崎勇、天野浩3人因“發(fā)明高效GaN基藍光發(fā)光二極管，帶來明亮而節(jié)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(fā)達國家紛紛將其列入國家戰(zhàn)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制造創(chuàng)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(fā)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(fā)和產業(yè)化，預計節(jié)能效果大約相當于900萬家庭用電總量。當前，中國發(fā)展寬禁帶半導體具有良好的機遇和合適的環(huán)境。從消費類電子設備、新型半導體照明、新能源汽車、風力發(fā)電、航空發(fā)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(wèi)星及電子對抗系統(tǒng)，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(fā)還是以經濟發(fā)展的視角，寬禁帶半導體材料的發(fā)展空間都很大，市場前景也很好。發(fā)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(yè)關聯性大等特點，需要做好頂層設計，進行統(tǒng)籌安排。中國在SiC、GaN半導體材料的基礎研究、應用研究、產業(yè)化方面布局基本合理恰當，各計劃之間注意了協(xié)同配合，相信在這次國際發(fā)展的浪潮中將會有令人鼓舞的進展。SiC、GaN于發(fā)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(fā)，拓展在民用領域的應用，搶占下一代功率電子產業(yè)的廣闊市場，推動新一代信息技術、新能源產業(yè)和中國制造2025的快速發(fā)展。

2）寬禁帶半導體材料是機遇與挑戰(zhàn)并存的領域。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(wěn)定性、器件可靠性以及成本控制等；其產業(yè)化的難度比外界想象的還要大。發(fā)展寬禁帶半導體，一方面要依靠自主研發(fā)，實現技術突破，滿足國防軍工對HEMT、MMIC等器件和電路的需求，并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(fā)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(fā)，做到克服瓶頸、解決難題、進入市場、用于實際。此外，加強寬禁帶半導體材料研發(fā)及應用，急需引進和培養(yǎng)人才雙管齊下，遴選領軍人才、充實技術骨干、加快隊伍建設。

3）寬禁帶半導體應用研究和產業(yè)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(tǒng)的要求；同時要注重設備儀器、檢驗標準、稅收政策、金融環(huán)境等全產業(yè)鏈和產業(yè)環(huán)境的建設，強化多方配合與協(xié)同發(fā)展。尤其要支持企業(yè)牽頭的應用研發(fā)和產業(yè)化工作；SiC和GaN民用領域廣泛，會出現眾多中小型科技企業(yè)，政府應出臺政策、予以鼓勵。

4）寬禁帶半導體是未來高科技發(fā)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(fā)展的關鍵驅動力。2015年，TriQuint和RFMD兩家公司合并成立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絡和光網絡的市場。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(yè)化發(fā)展僅處于起步階段，尚未形成巨大的實際市場。如果集中力量協(xié)同創(chuàng)新，有可能在相關領域獲得比較優(yōu)勢進而占據領先地位。

5）SiC、GaN材料適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，能有效提高系統(tǒng)的效率，對發(fā)展“大智物移云”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：“化合物半導體并非要取代硅，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(fā)揮各自的作用、占據各自的市場份額。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，緣于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(fā)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、低水平重復建設。

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(fā)有了令人可喜的進展，國內多個大學和研究單位均研制出較大尺寸的金剛石薄膜及體材料，并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(fā)與產業(yè)化，對軍事國防安全和戰(zhàn)略新興產業(yè)發(fā)展將具有舉足輕重的作用。相信我們有能力搶占寬禁帶半導體材料及應用的戰(zhàn)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。

屠海令北京市人，半導體材料專家，中國工程院院士?，F任北京有色金屬研究總院名譽院長、中國有色金屬工業(yè)協(xié)會特邀副會長、中國半導體行業(yè)協(xié)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，硅基半導體材料制備，半導體材料與器件性能關系，納米半導體材料和高k材料等。

——摘自《科技導報》2017年第23期