为了这类超强半导体，他们冷静熬了十年

lmf880228 · 发表于 2022-4-2 01:31

来历：内容来自大洋网，感谢。

克日，以“科技自立自强双创驱动成长”为主题的2022“科创中国”年度会议召开。会上，中国科协公布了2021年“科创中国”系列榜单。其中，“先导技术榜”面向生物医药、资本情况、电子信息、装备制造、先辈材料、现代农林等六大范畴，遴选出了100项具有广漠利用处景、高经济和社会效益的先导技术。
中山大学微电子学院王钢教授带领的研发团队花费十多年自立研发的“大尺寸氧化镓单晶薄膜异质外延发展技术及焦点装备”既是广东省高校唯一入选的项目，也是广州地域唯一入选的项目。王钢团队的这项技术将在中国甚至全球新兴超宽禁带功率半导体材料范畴构成产业化冲破口，极大地鞭策中国氧化镓基功率电子器件的成长和产业化进程。

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中山大学微电子学院教授王钢
本次研讨功效登上国家级榜单，背后是王钢团队十余年磨一剑的坚固。“每次推开一道门，都需要经过不竭地摸索，频频地试错，才能找到下一道门。”王钢对记者感慨道。
实现并跑领跑，他们决议破题“氧化镓”

2004年，在日本富士通量子器件公司担任研发工程师的王钢加入中山大学光电材料与技术国家重点尝试室，并组建了自己的团队。在中山大学大学城校区光电材料与技术国家重点尝试室的大楼里，王钢团队用18年时候将宽禁带半导体材料和器件尝试室扶植成型，宽禁带半导体材料和器件也成为这家国家重点尝试室的重要研讨偏向之一。
返国后的前8年，王钢团队首要聚焦支持LED产业的氮化物半导体材料。“在氮化物范畴，我们感受持久处在跟跑状态，所以一向在思考有哪些新的材料可实现并跑甚至领跑。”王钢说道，终极他们把眼光锁定在超宽禁带半导体材料上。
禁带宽度的巨细，决议了材料的导电才能。禁带越宽，导电性越低：如金属的禁带宽度为零，而绝缘体的禁带宽度则很宽。半导体在常温下的导电性能则介于导体与绝缘体之间。
宽禁带、超宽禁带半导体材料的一大优点即是节能，比如LED照明利用宽禁带半导体材料技术，其相比传统的白炽灯照明，能效提升了数倍。氮化镓和碳化硅是第三代半导体晶圆材料的支流挑选，其禁带宽度大要在3.4eV（电子伏特）左右，属于宽禁带半导体材料。氧化镓则是超宽禁带半导体材料，由于其禁带宽度大要在5eV。
特别的属性让氧化镓有着“击穿电场强度更强”“功率消耗更低”等上风。氧化镓可让人们利用更少的材料制造出具有更高耐压、更强功率处置才能的功率半导体器件，器件同时可以更薄、更轻。
功率半导体器件是逆变装配里的焦点器件，交换电和直流电的转换即是逆变。随着高铁、电动汽车以及高压电网输电系统的快速成长，全天下急切的需要具有更高转换效力的高压大功率半导体器件。氧化镓功率半导体器件在与氮化镓和碳化硅不异的耐压情况下，导通电阻更低、功耗更小、更耐高温、可以极大地节俭高压器件工作时的电能损失。

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由于氧化镓的材料属性上风明显，王钢率领团队起头处理氧化镓半导体材料产业化的关键焦点题目
“仅从节能的角度来了解超宽禁带半导体材料不够周全，氧化镓功率半导体器件答应在更高的温度下操纵，从而削减对庞大的冷却器件系统的需求。氧化镓在消耗电子、5G通讯、智能电网、轨道交通、雷达探测等范畴有广漠的利用远景，氧化镓基器件被称为‘迄今为止最坚忍受用的晶体管’”。王钢告诉记者，随着科技成长，社会的数字化、智能化水平不竭提升，被称为“第四代超宽禁带半导体材料”的氧化镓将会有更多的利用处景。
氧化镓已经成为国际上超宽禁带半导体范畴的研讨热门，比如日本经济产业省便计划为努力于开辟“氧化镓”的私营企业和大学供给财政支持。今朝中国在氧化镓材料偏向的研讨正处于开辟阶段，照旧缺少自立生产优良氧化镓材料的才能。
从0到1 打造半导体制备焦点装备

半导体器件和电路在半导体材料晶圆的表层构成。而晶圆制备包括衬底制备和外延工艺两大环节。衬底是由半导体单晶材料制造而成的晶圆片。外延则是指在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底上发展一层新单晶薄膜的进程。新单晶薄膜可以与衬底为同一材料，也可以是分歧材料。而第三代和第四代半导体器件几近都做在外延层的单晶薄膜上，这层薄膜的质量、均匀度等参数间接决议着器件的各项电学性能。
“就氧化镓半导体器件来说，首要发挥关键焦点电学功用是这层通明氧化镓膜，这个膜只要几微米级（1米的一百万分之一）的厚度。衬体只是起支持感化，以方便前期对这层薄膜停止加工。”王钢告诉记者。

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晶圆制备包括衬底制备和外延工艺两大环节
氧化镓这类材料在自然界底子不存在，需要野生停止分解，氧和镓两种元素的反应需要在接近1000摄氏度的情况下停止。
化学气相堆积（CVD）技术是用来制备高纯、高性能固体薄膜的首要技术。在典型的CVD工艺进程中，把一种或多种蒸汽源原子或份子引入腔室中，在内部能量感化下发生化学反应并在衬底概况构成需要的薄膜。所以化学气相堆积（CVD）装备也就成为半导体器件制造傍边的焦点装备。

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化学气相堆积装备是半导体器件制造傍边的焦点装备
当记者走进宽禁带半导体材料和器件尝试室，一代代大型CVD装备映入视线。王钢说，这些都是从欧洲国家采办返来的CVD装备。昔时谈判之艰辛、花费之庞大，至今王钢记忆犹新。“2006年我们从英国买回这台长氮化物的机械，为了打折我们谈得很辛劳，但也花了我们快要1000万群众币。”王钢说。
就氧化镓材料而言，今朝国际支流的技术线路是在氧化镓单晶衬底上采用HVPE装备同质外延发展β相氧化镓单晶薄膜，但其单晶制备和薄膜发展技术及装备的相关常识产权完全把握在日本手中。
为了实现氧化镓外延材料及焦点装备从0到1的冲破，王钢率领团队起头研制大尺寸、高质量氧化镓半导体薄膜材料异质外延发展用MOCVD（金属有机化学气相堆积）装备，同时研发氧化镓单晶薄膜材料的大尺寸异质外延发展工艺技术。
王钢告诉记者，今朝氧化镓单晶薄膜材料发展首要面临结晶质量题目。“理想的半导体材料，是由很多原子依照一定例律的周期性排布而构成。但在半导体材料的制备进程中，由于各类缘由，原子排布的周期性经常会被打破，材料是以就会出现缺点。”王钢说，他们的方针就是改良材料发展技术，尽力下降材料中的缺点密度。
大尺寸一样是王钢团队面临的应战。由于半导体行业不但身处科研范畴，也和利用市场亲近关联，对本钱和价格很是敏感。对于半导体材料而言，制备的尺寸越大越具有价格上风，一样发生的缺点也会更多。
“我们去波士顿开学术交换会议时，听到日本专家分享氧化镓的功率电子器件的原型。我以为我们一样有才能完成此事，还能走出分歧的技术途径，因而我们返国以后立马动手研讨，并以蓝宝石作为衬底停止异质外延尝试。”王钢说，在开初的两年时候里，他们都没法在蓝宝石衬底上长出薄膜材料。这类气闷难熬的感受一向让王钢难以忘记，他也有过疑虑：这个研讨偏向能否真的能走向成功？
焦虑苍茫中，王钢团队不曾放弃。依靠持久在氮化物半导体元器件的研讨经历，他们在一台用于生产第二代半导体材料的新式MOCVD装备上停止革新，而且对半导体装备反应腔室停止怪异设想。十年来，团队不竭调剂着工艺、参数和设想计划，在近万次的失利中总结经历。终极他们实现氧化镓单晶薄膜材料外延发展MOCVD装备的自立研制，而且他们采用自立研制的MOCVD装备在蓝宝石、碳化硅及硅等大尺寸异质衬底上发展了结晶质量高，晶向分歧性好的4-8英寸的ε相氧化镓单晶薄膜。
多学科融合让“黑盒子”可视化

王钢身上荡漾着理想主义的情怀。他告诉记者，他这一辈子的方针是研发出更出色的国产装备，进而长出加倍优良的半导体材料。
在这项功效登上科创中国“先导技术榜”之前，收集上根基搜寻不到这项技术的任何信息。“做半导体的人应当用90%的精神去做落地的工作，我们也算是冷静在做这件事。有些焦点的技术甚至没有拿进来颁发论文，所以在公众范畴根基上没有著名度。”王钢告诉记者。

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王钢和其团队自立研发的国内首台氧化镓异质外延公用多片型MOCVD量产装备
在十余年来对氧化镓材料技术的钻研中，王钢说自己又是荣幸的，“针对一些很是前沿的技术，在国家尚未推出重点研发计划之前，需要不竭有人去熬。实在我很是荣幸，可以获得中山大学和光电材料与技术国家重点尝试室摸干脆课题的一些资金的支持，同时仰仗产学研合作伙伴在MOCVD装备制造进程中硬件的投入，摸索一些没有完全把握的工作。”王钢说。
即使自立研发的MOCVD装备已是停顿喜人，可是王钢团队还在尽力让氧化镓MOCVD装备具有更优良的性能从而走向大范围利用。
一向以来，反应腔室如同黑盒子，工程师没法实时知晓里面发生的化学变化。“我们之前把自己称为技术人，首要凭着经历，等材料长出来后发现缺点，我们再回头检察哪些环节出现了题目。”王钢说。
这十多年来，王钢也充实发挥光电材料与技术国家重点尝试室多学科融合的上风，用数字建模、数字孪生等技术实现对反应腔的可视化。记者看到，在王钢团队自立研制的MOCVD装备旁边，一台计较机正在显现模拟反应腔内部反应进程的三维图像，每个粒子的活动轨迹都能清楚可见。

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王钢团队充实发挥光电材料与技术国家重点尝试室多学科融合的上风，用数字建模、数字孪生等技术实现对反应腔的可视化
“这是一个多物理量的模拟，其中不但能展现气体的活动，还能反应温度场、压力场的情况。”王钢告诉记者，十余年来的研发构成了成熟的数据库和软件包，他们可以凭此技术实时监控反应进程，并精准地猜测薄膜材料的长速和均匀性，如此可缩小开辟材料的时候且进步材料的良品率。
“我们有些利用已经超越国际同业。他们没想到的利用，我们也开辟出来了。”王钢对记者说道，关键焦点技术一定要渐渐熬出来，此次团队去申报“科创中国”先导技术榜，并非在意外界评价。他们希望借此寻得机遇将装备落地，为中国第四代半导体材料产业进献气力。

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肥刘 · 发表于 2022-4-2 01:32

关键设备与仪器这些命脉捏在别人手里！什么时候能自主？

开靓车的靓仔 · 发表于 2022-4-2 01:33

转发了

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