中國科學(xué)院院士郝躍：發(fā)展寬禁帶半導(dǎo)體不能只拿來不創(chuàng)新

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2022-03-09 03:07:27 1

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(fā)展“后摩爾時代”的集成電路產(chǎn)業(yè)，全球都在積極尋找新技術(shù)、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(shù)創(chuàng)新、加速產(chǎn)業(yè)發(fā)展，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會聯(lián)合《中國電子報》推出“后摩爾時代技術(shù)演進院士談”系列報道，將采訪相關(guān)領(lǐng)域院士，探討后摩爾時代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

”

當(dāng)前，國內(nèi)外都在部署寬禁帶半導(dǎo)體（又稱第三代半導(dǎo)體）器件和材料產(chǎn)業(yè)。寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)究竟為何贏得了市場青睞？在應(yīng)用過程中又具有怎樣的特點、難點、痛點？相關(guān)產(chǎn)業(yè)未來又該向什么方向發(fā)展？《中國電子報》記者采訪了中國科學(xué)院院士、西安電子科技大學(xué)教授郝躍。圍繞寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)當(dāng)前存在的問題、產(chǎn)業(yè)發(fā)展難點和未來發(fā)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(dǎo)體做個簡單的介紹，這類半導(dǎo)體具有哪些特點，在產(chǎn)業(yè)上有怎樣的應(yīng)用呢？

郝躍：寬禁帶半導(dǎo)體最明顯的特征，便是它的半導(dǎo)體禁帶寬度寬，從材料的性質(zhì)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(dǎo)體材料，擁有高的擊穿電場強度、高的工作溫度、低的器件導(dǎo)通電阻、高的電子密度等優(yōu)勢，目前寬禁帶半導(dǎo)體主要在三個領(lǐng)域有強大的市場的競爭力。

*是射頻器件，即微波毫米波器件。相比于砷化鎵和硅等半導(dǎo)體材料，在微波毫米波段的寬禁帶半導(dǎo)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(xiàn)在的4G、5G和未來的6G通信。例如，國內(nèi)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(fā)體制，每個基站64路收發(fā)，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(shù)更多，矛盾將更加突出。

第二是大功率電力電子器件?？斐溲b置、輸變電系統(tǒng)、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(dǎo)體，尤其是碳化硅、氮化鎵具有比其他半導(dǎo)體材料更為明顯的優(yōu)勢。

第三是光電器件。寬禁帶半導(dǎo)體尤其在短波長光電器件方面有很明顯的優(yōu)勢。例如藍光，現(xiàn)在所有的半導(dǎo)體照明已經(jīng)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(dǎo)體作為材料。

當(dāng)然，還有其他應(yīng)用領(lǐng)域，例如探測器、傳感器等方面，應(yīng)用十分廣闊。

記者：從數(shù)據(jù)來看，自2017年至今，寬禁帶半導(dǎo)體器件的市場規(guī)模呈現(xiàn)出非常明顯的上升趨勢。在您看來，寬禁帶半導(dǎo)體是否有希望成為后摩爾時代的顛覆性技術(shù)，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(zhàn)，使摩爾定理按芯片集成度每18個月翻一翻的規(guī)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(tǒng)芯片等新的方案。系統(tǒng)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(yīng)用領(lǐng)域融合，不斷開辟新的應(yīng)用市場。

我認(rèn)為硅集成電路跟其他類型的半導(dǎo)體，例如化合物半導(dǎo)體與硅器件高度結(jié)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(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。也是未來寬禁帶半導(dǎo)體器件和集成電路發(fā)展的重要方向。

但是，寬禁帶半導(dǎo)體材料要替代硅是不可能的。集成電路當(dāng)前90%以上使用的依然是硅基半導(dǎo)體，還有太陽能電池等，主要用的都是硅材料。寬禁帶半導(dǎo)體器件和集成電路只在全球的半導(dǎo)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(xiàn)在還是半導(dǎo)體材料的主流。因為硅材料很難發(fā)光，也很難在高頻下提高輸出功率，寬禁帶半導(dǎo)體才有了獨立的發(fā)展空間和巨大的應(yīng)用市場。

記者：我國寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件在向產(chǎn)業(yè)推廣的過程中還存在哪些難點，出現(xiàn)這些難點的原因是什么，該如何解決？

郝躍：當(dāng)前，我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨“卡脖子”問題，主要卡在關(guān)鍵設(shè)備和材料方面。但在寬禁帶半導(dǎo)體設(shè)備方面，目前大多數(shù)領(lǐng)域我們都實現(xiàn)了本土化，從材料生長、器件和電路工藝到測試封裝設(shè)備，國內(nèi)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(dǎo)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*相關(guān)政策的支持下，這個技術(shù)我們是可以實現(xiàn)的。當(dāng)前已經(jīng)研制成功的光刻機，應(yīng)當(dāng)盡快實現(xiàn)穩(wěn)定的量產(chǎn)，這方面我們還需努力。我們能做到做好的能夠變成產(chǎn)業(yè)化的東西，一定要把它做到能用。

記者：有的廠商表示當(dāng)前在很多*領(lǐng)域，國內(nèi)的半導(dǎo)體器件生產(chǎn)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(dǎo)率、損耗低，這是寬禁帶半導(dǎo)體固有的優(yōu)勢，問題是我們在產(chǎn)品開發(fā)過程中沒能充分發(fā)揮這些優(yōu)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(zhì)決定的。無論是氮化鎵還是碳化硅，寬禁帶半導(dǎo)體的效率都是很高的。但是，在后續(xù)器件應(yīng)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(huán)節(jié)，目前我們的器件封裝基本沒能按照器件的特點和應(yīng)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(dǎo)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(rèn)為，還有很多技術(shù)推廣應(yīng)用方面的工作可以開展。

記者：如果寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)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(rèn)為這完全能夠解決。因為在寬禁帶半導(dǎo)體方面，我們*器件的研制技術(shù)和指標(biāo)是與國際基本同步的，甚至有些指標(biāo)是*的。問題在于，這些技術(shù)如何從研發(fā)環(huán)節(jié)快速轉(zhuǎn)換到生產(chǎn)環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)諸多的生產(chǎn)廠家自身是沒有研發(fā)能力的，基本是拿來主義。例如，我們西安電子科技大學(xué)的寬禁帶半導(dǎo)體*工程研究中心，研發(fā)了不少高指標(biāo)的材料和器件技術(shù)。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(chǔ)上做進一步的創(chuàng)新，就有困難了。我們*提出企業(yè)是創(chuàng)新的主體，企業(yè)如果只是拿來卻不創(chuàng)新，再好的技術(shù)也不能持續(xù)轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)力。目前，很多企業(yè)在研發(fā)方面的投入十分有限，主要的研發(fā)投入還是依靠*。

對比看國際*的半導(dǎo)體企業(yè)，英特爾一年的研發(fā)費用大概在100億美元以上。我國的企業(yè)要提高創(chuàng)新能力，也要在如何加大研發(fā)資金投入上想辦法。

記者：據(jù)了解，學(xué)校和研究所主要是以論文發(fā)表為評判指標(biāo)的，這種評判體系可能會使高校與產(chǎn)業(yè)之間的合作很難密切。在校企聯(lián)合中，校方和企業(yè)應(yīng)該分別扮演怎樣的角色呢？

郝躍：高等學(xué)校和國立研究所的研究肯定是要瞄準(zhǔn)*科技前沿的，這個毫無疑問。高校和研究所的任務(wù)之一，還是探索規(guī)律性的東西，不斷追求新的東西。不光中國高校如此，全*高校都是如此。所以重視發(fā)表論文，尤其是在學(xué)術(shù)會議和學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文，我認(rèn)為這是對的。廣大科技工作者要堅持面向*科技前沿，科學(xué)家的使命就是要追求更高的目標(biāo)。

高校的科研成果是不是應(yīng)該迅速地轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實生產(chǎn)力？我認(rèn)為當(dāng)然是這樣的。但是如何保證高校的研究成果能夠轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實的生產(chǎn)力？現(xiàn)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(jīng)濟主戰(zhàn)場，這是很困難的。

那么如何解決好這組矛盾？我認(rèn)為，依靠產(chǎn)學(xué)研結(jié)合提升企業(yè)自身的研發(fā)能力是解決問題的關(guān)鍵。所以，如何實現(xiàn)把企業(yè)作為創(chuàng)新的主體，這是應(yīng)該共同好好發(fā)力的事情。

記者：一些國際大企業(yè)，如科銳、英飛凌等，他們的技術(shù)基本上覆蓋了整個產(chǎn)業(yè)鏈，從襯底、器件到應(yīng)用做到了全覆蓋。國內(nèi)企業(yè)若是去和這類企業(yè)競爭，想要在高端領(lǐng)域形成競爭力，應(yīng)如何去做？

郝躍：科銳公司一開始就是專門做碳化硅半導(dǎo)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(lǐng)域做到*老大后，才逐步開始往產(chǎn)業(yè)鏈上下游發(fā)展的。

所以對于我們企業(yè)而言，我的建議是先把我們能做的東西做好，做到*，做到無可挑剔。一個企業(yè)不要一開始就考慮產(chǎn)業(yè)鏈的問題，選擇一個領(lǐng)域，扎扎實實地把它做到*，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*，那是不可能的。所以企業(yè)定位是什么，應(yīng)該要先搞清楚。

記者：氮化鎵、碳化硅已經(jīng)實現(xiàn)了量產(chǎn)，在寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域，有哪些是面向未來的材料？

郝躍：我認(rèn)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(xù)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(nèi)的研究基礎(chǔ)是很好的，但這種材料還存在很多技術(shù)難點，產(chǎn)業(yè)化難度比較大，這要看未來10年在技術(shù)上會有什么樣的突破。可以說，我們一直在不懈努力。

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