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半導體

專訪中國科學院院士郝躍:發展寬禁帶半導體不能只拿來不創新

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開欄的話:隨著集成電路晶體管密度越來越接近物理極限,單純依靠提高制程來提升集成電路性能變得越來越困難。圍繞如何發展“后摩爾時代”的集成電路產業,全球都在積極尋找新技術、新方法和新路徑。為進一步推動中國集成電路在后摩爾時代的技術創新、加速產業發展,中國半導體行業協會聯合《中國電子報》推出“后摩爾時代技術演進院士談”系列報道,將采訪相關領域院士,探討后摩爾時代半導體產業的發展方向。

當前,國內外都在部署寬禁帶半導體(又稱第三代半導體)器件和材料產業。寬禁帶半導體產業究竟為何贏得了市場青睞?在應用過程中又具有怎樣的特點、難點、痛點?相關產業未來又該向什么方向發展?記者采訪了中國科學院院士、西安電子科技大學教授郝躍。圍繞寬禁帶半導體產業當前存在的問題、產業發展難點和未來發展方向,郝躍分享了他的觀點。

記者:首先想請您對寬禁帶半導體做個簡單的介紹,這類半導體具有哪些特點,在產業上有怎樣的應用呢?

郝躍:寬禁帶半導體最明顯的特征,便是它的半導體禁帶寬度寬,從材料的性質方面更接近于絕緣體。因此,以氮化鎵和碳化硅為代表的這類寬禁帶半導體材料,擁有高的擊穿電場強度、高的工作溫度、低的器件導通電阻、高的電子密度等優勢,目前寬禁帶半導體主要在三個領域有強大的市場的競爭力。

第一是射頻器件,即微波毫米波器件。相比于砷化鎵和硅等半導體材料,在微波毫米波段的寬禁帶半導體器件工作效率和輸出功率明顯高,適合做射頻功率器件。民用射頻器件主要用在移動通信方面,包括現在的4G、5G和未來的6G通信。例如,國內新裝的4G和5G移動通信的基站幾乎全用氮化鎵器件。尤其是5G基站采用MIMO收發體制,每個基站64路收發,耗電量是4G基站的3倍以上,而且基站的密集度還要高于4G基站,不用高效率的氮化鎵器件幾乎是不可能的。未來6G通信頻率更高、基站數更多,矛盾將更加突出。

第二是大功率電力電子器件。快充裝置、輸變電系統、軌道交通、電動汽車和充電樁等都需要大功率、高效率的電力電子器件。無疑寬禁帶半導體,尤其是碳化硅、氮化鎵具有比其他半導體材料更為明顯的優勢。

第三是光電器件。寬禁帶半導體尤其在短波長光電器件方面有很明顯的優勢。例如藍光,現在所有的半導體照明已經采用了氮化鎵。在紫光、紫外光甚至在黃光、綠光等方面都可以直接用氮化物半導體作為材料。

當然,還有其他應用領域,例如探測器、傳感器等方面,應用十分廣闊。

記者:從數據來看,自2017年至今,寬禁帶半導體器件的市場規模呈現出非常明顯的上升趨勢。在您看來,寬禁帶半導體是否有希望成為后摩爾時代的顛覆性技術,又會在多大程度上替代硅材料呢?

郝躍:后摩爾時代是指硅集成電路芯片在集成度、功耗等方面面臨較大的挑戰,使摩爾定理按芯片集成度每18個月翻一翻的規律有所變慢,于是尋求新的解決方案,其中包括了硅的三維集成電路和系統芯片等新的方案。系統芯片也叫做More than Moore,即超越摩爾定律,指的是將硅的集成電路不斷地拓展到與其他材料或應用領域融合,不斷開辟新的應用市場。 

我認為硅集成電路跟其他類型的半導體,例如化合物半導體與硅器件高度結合,在硅襯底上生長化合物,這是后摩爾時代的一個非常有意義、非常有發展潛力的領域。也是未來寬禁帶半導體器件和集成電路發展的重要方向。

但是,寬禁帶半導體材料要替代硅是不可能的。集成電路當前90%以上使用的依然是硅基半導體,還有太陽能電池等,主要用的都是硅材料。寬禁帶半導體器件和集成電路只在全球的半導體市場中占很小的份額,主要用在大功率射頻器件、電力電子器件和短波長光電器件中。硅現在還是半導體材料的主流。因為硅材料很難發光,也很難在高頻下提高輸出功率,寬禁帶半導體才有了獨立的發展空間和巨大的應用市場。

記者:我國寬禁帶半導體材料和器件在向產業推廣的過程中還存在哪些難點,出現這些難點的原因是什么,該如何解決?

郝躍:當前,我國半導體產業面臨“卡脖子”問題,主要卡在關鍵設備和材料方面。但在寬禁帶半導體設備方面,目前大多數領域我們都實現了本土化,從材料生長、器件和電路工藝到測試封裝設備,國內基本能夠滿足需求。唯獨光刻機仍然沒有解決。其實,像氮化鎵等寬禁帶半導體所需要的光刻機工藝制程并不需要十分先進,光刻精度90納米就夠了。在國家相關政策的支持下,這個技術我們是可以實現的。當前已經研制成功的光刻機,應當盡快實現穩定的量產,這方面我們還需努力。我們能做到做好的能夠變成產業化的東西,一定要把它做到能用。

記者:有的廠商表示當前在很多尖端領域,國內的半導體器件生產還不能滿足要求(例如器件效率問題),原因何在?如何解決這些問題?

郝躍:高熱導率、損耗低,這是寬禁帶半導體固有的優勢,問題是我們在產品開發過程中沒能充分發揮這些優勢。例如氮化鎵在4GHz頻率100W輸出功率,器件效率可以達到70%以上。而對其他材料來講,能達到50%就不錯了,高效率是材料性質決定的。無論是氮化鎵還是碳化硅,寬禁帶半導體的效率都是很高的。但是,在后續器件應用過程中,是否能保證每一步都保持材料的低損耗是十分重要的問題。

舉例來說,在碳化硅器件制作完成后的封裝環節,目前我們的器件封裝基本沒能按照器件的特點和應有方式來做,仍采用了硅的大功率器件方式封裝,這樣一來就加大了寬禁帶半導體的損耗,高效率、低損耗被這么封裝,效果基本沒有了。這只是一個例子,我認為,還有很多技術推廣應用方面的工作可以開展。

記者:如果寬禁帶半導體技術進一步普及,能夠滿足對電子器件高性能、耐高溫、長使用壽命的高端要求嗎?

郝躍:我認為這完全能夠解決。因為在寬禁帶半導體方面,我們國家器件的研制技術和指標是與國際基本同步的,甚至有些指標是領先的。問題在于,這些技術如何從研發環節快速轉換到生產環節。目前,國內諸多的生產廠家自身是沒有研發能力的,基本是拿來主義。例如,我們西安電子科技大學的寬禁帶半導體國家工程研究中心,研發了不少高指標的材料和器件技術。推廣出去之后,開始廠家們能把器件做出來,但若要在這個基礎上做進一步的創新,就有困難了。我們國家提出企業是創新的主體,企業如果只是拿來卻不創新,再好的技術也不能持續轉換成生產力。目前,很多企業在研發方面的投入十分有限,主要的研發投入還是依靠國家。

對比看國際領先的半導體企業,英特爾一年的研發費用大概在100億美元以上。我國的企業要提高創新能力,也要在如何加大研發資金投入上想辦法。

記者:據了解,學校和研究所主要是以論文發表為評判指標的,這種評判體系可能會使高校與產業之間的合作很難密切。在校企聯合中,校方和企業應該分別扮演怎樣的角色呢?

郝躍:高等學校和國立研究所的研究肯定是要瞄準世界科技前沿的,這個毫無疑問。高校和研究所的任務之一,還是探索規律性的東西,不斷追求新的東西。不光中國高校如此,全世界高校都是如此。所以重視發表論文,尤其是在學術會議和學術刊物上發表論文,我認為這是對的。廣大科技工作者要堅持面向世界科技前沿,科學家的使命就是要追求更高的目標。

高校的科研成果是不是應該迅速地轉換成現實生產力?我認為當然是這樣的。但是如何保證高校的研究成果能夠轉換成現實的生產力?現在的一個趨勢是,教授們直接去辦公司,我覺得這也值得商榷。要求一個教授既能夠面向科技前沿,又能夠面向經濟主戰場,這是很困難的。

那么如何解決好這組矛盾?我認為,依靠產學研結合提升企業自身的研發能力是解決問題的關鍵。所以,如何實現把企業作為創新的主體,這是應該共同好好發力的事情。

記者:一些國際大企業,如科銳、英飛凌等,他們的技術基本上覆蓋了整個產業鏈,從襯底、器件到應用做到了全覆蓋。國內企業若是去和這類企業競爭,想要在高端領域形成競爭力,應如何去做?

郝躍:科銳公司一開始就是專門做碳化硅半導體材料的公司,完完全全做材料。材料慢慢做大了以后,它才開始做器件,做垂直型的大功率藍光LED,然后開始做電子器件。英飛凌是一直做器件的,不做材料。他們都是在各自擅長的領域做到世界老大后,才逐步開始往產業鏈上下游發展的。

所以對于我們企業而言,我的建議是先把我們能做的東西做好,做到極致,做到無可挑剔。一個企業不要一開始就考慮產業鏈的問題,選擇一個領域,扎扎實實地把它做到極致,然后再去考慮往上游和下游拓展。一開始從材料到器件都能做到一流,那是不可能的。所以企業定位是什么,應該要先搞清楚。 

記者:氮化鎵、碳化硅已經實現了量產,在寬禁帶半導體領域,有哪些是面向未來的材料?

郝躍:我認為最有可能的是氧化鎵材料,它的禁帶寬度比氮化鎵和碳化硅更寬,達到了4.6~4.8電子伏特。我們目前的研究表明,這類材料是有希望的。

在未來10年左右,氧化鎵器件有可能成為有競爭力的電力電子器件,會直接與碳化硅器件競爭,這就如同今天碳化硅和硅的大功率器件情形一樣。

氧化鎵目前還不行,這要看后續的研究進展。另外,金剛石材料的禁帶寬度是5.4電子伏特,對這種材料和器件,國內的研究基礎是很好的,但這種材料還存在很多技術難點,產業化難度比較大,這要看未來10年在技術上會有什么樣的突破。可以說,我們一直在不懈努力。

責任編輯:姬曉婷


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