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半导体

专访中国科学院院士郝跃:发展宽禁带半导体不能只拿来不创新

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开栏的话:随着集成电路晶体管密度越来越接近物理极限,单纯依靠提高制程来提升集成电路性能变得越来越困难。围绕如何发展“后摩尔时代”的集成电路产业,全球都在积极寻找新技术、新方法和新路径。为进一步推动中国集成电路在后摩尔时代的技术创新、加速产业发展,中国半导体行业协会联合《中国电子报》推出“后摩尔时代技术演进院士谈”系列报道,将采访相关领域院士,探讨后摩尔时代半导体产业的发展方向。

当前,国内外都在部署宽禁带半导体(又称第三代半导体)器件和材料产业。宽禁带半导体产业究竟为何赢得了市场青睐?在应用过程中又具有怎样的特点、难点、痛点?相关产业未来又该向什么方向发展?记者采访了中国科学院院士、西安电子科技大学教授郝跃。围绕宽禁带半导体产业当前存在的问题、产业发展难点和未来发展方向,郝跃分享了他的观点。

记者:首先想请您对宽禁带半导体做个简单的介绍,这类半导体具有哪些特点,在产业上有怎样的应用呢?

郝跃:宽禁带半导体最明显的特征,便是它的半导体禁带宽度宽,从材料的性质方面更接近于绝缘体。因此,以氮化镓和碳化硅为代表的这类宽禁带半导体材料,拥有高的击穿电场强度、高的工作温度、低的器件导通电阻、高的电子密度等优势,目前宽禁带半导体主要在三个领域有强大的市场的竞争力。

第一是射频器件,即微波毫米波器件。相比于砷化镓和硅等半导体材料,在微波毫米波段的宽禁带半导体器件工作效率和输出功率明显高,适合做射频功率器件。民用射频器件主要用在移动通信方面,包括现在的4G、5G和未来的6G通信。例如,国内新装的4G和5G移动通信的基站几乎全用氮化镓器件。尤其是5G基站采用MIMO收发体制,每个基站64路收发,耗电量是4G基站的3倍以上,而且基站的密集度还要高于4G基站,不用高效率的氮化镓器件几乎是不可能的。未来6G通信频率更高、基站数更多,矛盾将更加突出。

第二是大功率电力电子器件。快充装置、输变电系统、轨道交通、电动汽车和充电桩等都需要大功率、高效率的电力电子器件。无疑宽禁带半导体,尤其是碳化硅、氮化镓具有比其他半导体材料更为明显的优势。

第三是光电器件。宽禁带半导体尤其在短波长光电器件方面有很明显的优势。例如蓝光,现在所有的半导体照明已经采用了氮化镓。在紫光、紫外光甚至在黄光、绿光等方面都可以直接用氮化物半导体作为材料。

当然,还有其他应用领域,例如探测器、传感器等方面,应用十分广阔。

记者:从数据来看,自2017年至今,宽禁带半导体器件的市场规模呈现出非常明显的上升趋势。在您看来,宽禁带半导体是否有希望成为后摩尔时代的颠覆性技术,又会在多大程度上替代硅材料呢?

郝跃:后摩尔时代是指硅集成电路芯片在集成度、功耗等方面面临较大的挑战,使摩尔定理按芯片集成度每18个月翻一翻的规律有所变慢,于是寻求新的解决方案,其中包括了硅的三维集成电路和系统芯片等新的方案。系统芯片也叫做More than Moore,即超越摩尔定律,指的是将硅的集成电路不断地拓展到与其他材料或应用领域融合,不断开辟新的应用市场。 

我认为硅集成电路跟其他类型的半导体,例如化合物半导体与硅器件高度结合,在硅衬底上生长化合物,这是后摩尔时代的一个非常有意义、非常有发展潜力的领域。也是未来宽禁带半导体器件和集成电路发展的重要方向。

但是,宽禁带半导体材料要替代硅是不可能的。集成电路当前90%以上使用的依然是硅基半导体,还有太阳能电池等,主要用的都是硅材料。宽禁带半导体器件和集成电路只在全球的半导体市场中占很小的份额,主要用在大功率射频器件、电力电子器件和短波长光电器件中。硅现在还是半导体材料的主流。因为硅材料很难发光,也很难在高频下提高输出功率,宽禁带半导体才有了独立的发展空间和巨大的应用市场。

记者:我国宽禁带半导体材料和器件在向产业推广的过程中还存在哪些难点,出现这些难点的原因是什么,该如何解决?

郝跃:当前,我国半导体产业面临“卡脖子”问题,主要卡在关键设备和材料方面。但在宽禁带半导体设备方面,目前大多数领域我们都实现了本土化,从材料生长、器件和电路工艺到测试封装设备,国内基本能够满足需求。唯独光刻机仍然没有解决。其实,像氮化镓等宽禁带半导体所需要的光刻机工艺制程并不需要十分先进,光刻精度90纳米就够了。在国家相关政策的支持下,这个技术我们是可以实现的。当前已经研制成功的光刻机,应当尽快实现稳定的量产,这方面我们还需努力。我们能做到做好的能够变成产业化的东西,一定要把它做到能用。

记者:有的厂商表示当前在很多尖端领域,国内的半导体器件生产还不能满足要求(例如器件效率问题),原因何在?如何解决这些问题?

郝跃:高热导率、损耗低,这是宽禁带半导体固有的优势,问题是我们在产品开发过程中没能充分发挥这些优势。例如氮化镓在4GHz频率100W输出功率,器件效率可以达到70%以上。而对其他材料来讲,能达到50%就不错了,高效率是材料性质决定的。无论是氮化镓还是碳化硅,宽禁带半导体的效率都是很高的。但是,在后续器件应用过程中,是否能保证每一步都保持材料的低损耗是十分重要的问题。

举例来说,在碳化硅器件制作完成后的封装环节,目前我们的器件封装基本没能按照器件的特点和应有方式来做,仍采用了硅的大功率器件方式封装,这样一来就加大了宽禁带半导体的损耗,高效率、低损耗被这么封装,效果基本没有了。这只是一个例子,我认为,还有很多技术推广应用方面的工作可以开展。

记者:如果宽禁带半导体技术进一步普及,能够满足对电子器件高性能、耐高温、长使用寿命的高端要求吗?

郝跃:我认为这完全能够解决。因为在宽禁带半导体方面,我们国家器件的研制技术和指标是与国际基本同步的,甚至有些指标是领先的。问题在于,这些技术如何从研发环节快速转换到生产环节。目前,国内诸多的生产厂家自身是没有研发能力的,基本是拿来主义。例如,我们西安电子科技大学的宽禁带半导体国家工程研究中心,研发了不少高指标的材料和器件技术。推广出去之后,开始厂家们能把器件做出来,但若要在这个基础上做进一步的创新,就有困难了。我们国家提出企业是创新的主体,企业如果只是拿来却不创新,再好的技术也不能持续转换成生产力。目前,很多企业在研发方面的投入十分有限,主要的研发投入还是依靠国家。

对比看国际领先的半导体企业,英特尔一年的研发费用大概在100亿美元以上。我国的企业要提高创新能力,也要在如何加大研发资金投入上想办法。

记者:据了解,学校和研究所主要是以论文发表为评判指标的,这种评判体系可能会使高校与产业之间的合作很难密切。在校企联合中,校方和企业应该分别扮演怎样的角色呢?

郝跃:高等学校和国立研究所的研究肯定是要瞄准世界科技前沿的,这个毫无疑问。高校和研究所的任务之一,还是探索规律性的东西,不断追求新的东西。不光中国高校如此,全世界高校都是如此。所以重视发表论文,尤其是在学术会议和学术刊物上发表论文,我认为这是对的。广大科技工作者要坚持面向世界科技前沿,科学家的使命就是要追求更高的目标。

高校的科研成果是不是应该迅速地转换成现实生产力?我认为当然是这样的。但是如何保证高校的研究成果能够转换成现实的生产力?现在的一个趋势是,教授们直接去办公司,我觉得这也值得商榷。要求一个教授既能够面向科技前沿,又能够面向经济主战场,这是很困难的。

那么如何解决好这组矛盾?我认为,依靠产学研结合提升企业自身的研发能力是解决问题的关键。所以,如何实现把企业作为创新的主体,这是应该共同好好发力的事情。

记者:一些国际大企业,如科锐、英飞凌等,他们的技术基本上覆盖了整个产业链,从衬底、器件到应用做到了全覆盖。国内企业若是去和这类企业竞争,想要在高端领域形成竞争力,应如何去做?

郝跃:科锐公司一开始就是专门做碳化硅半导体材料的公司,完完全全做材料。材料慢慢做大了以后,它才开始做器件,做垂直型的大功率蓝光LED,然后开始做电子器件。英飞凌是一直做器件的,不做材料。他们都是在各自擅长的领域做到世界老大后,才逐步开始往产业链上下游发展的。

所以对于我们企业而言,我的建议是先把我们能做的东西做好,做到极致,做到无可挑剔。一个企业不要一开始就考虑产业链的问题,选择一个领域,扎扎实实地把它做到极致,然后再去考虑往上游和下游拓展。一开始从材料到器件都能做到一流,那是不可能的。所以企业定位是什么,应该要先搞清楚。 

记者:氮化镓、碳化硅已经实现了量产,在宽禁带半导体领域,有哪些是面向未来的材料?

郝跃:我认为最有可能的是氧化镓材料,它的禁带宽度比氮化镓和碳化硅更宽,达到了4.6~4.8电子伏特。我们目前的研究表明,这类材料是有希望的。

在未来10年左右,氧化镓器件有可能成为有竞争力的电力电子器件,会直接与碳化硅器件竞争,这就如同今天碳化硅和硅的大功率器件情形一样。

氧化镓目前还不行,这要看后续的研究进展。另外,金刚石材料的禁带宽度是5.4电子伏特,对这种材料和器件,国内的研究基础是很好的,但这种材料还存在很多技术难点,产业化难度比较大,这要看未来10年在技术上会有什么样的突破。可以说,我们一直在不懈努力。

责任编辑:姬晓婷


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