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【材料/設備】深圳第三代半導體研究院 今年要“放大招”

日期:2020-04-20

半導體是指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。常見的半導體材料有硅、鍺等,其中,硅是在商業應用上最具有影響力的一種。第三代半導體,主要包括目前即將成熟應用的碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN),也包括其他氮化物半導體、氧化物半導體和金剛石等寬禁帶及超寬禁帶半導體材料,具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點,因此也被業內譽為固態光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等產業的“新發動機”。

2018年3月31日,深圳第三代半導體研究院成立。2018年7月底,研究院正式投入實際的研發工作,啟動第一批研發項目。如今,在南方科技大學臺州樓的深圳第三代半導體研究院,已有一個40多人的團隊,均為國內、國際一流的人才,其中一半以上從事科學研究工作。

對第三代半導體的開發和市場應用空間,研究院院長趙玉海相當有信心,認為“其發展空間巨大”。第三代半導體素有半導體“貴族”之稱,趙玉海和他的團隊成員,如今正努力做著一件事——讓第三代半導體這個“貴族”平民化。

市場需求推動產業發展

去年高交會期間,第三代半導體研究院與龍華區簽訂了合作框架協議,選擇落戶龍華,以深圳報業集團舊廠房改造研究實驗室用地。這意味著未來幾年,這個由深圳第三代半導體產業技術創新戰略聯盟牽頭,聯合南方科技大學、復旦大學、中科院等高校、科研究所、骨干企業共建的新型民辦非盈利研發機構將在龍華研究新型的第三代半導體材料,并助力龍華在新能源汽車、移動通信、消費電子、光電顯示等領域提升核心競爭力,促進產業轉型發展。

在談及第三代半導體之前,趙玉海首先普及了第一代和第二代半導體的發展情況。趙玉海表示,第一代半導體是以整合硅、鍺元素等為代表的半導體材料,其優勢是周期長,發展成熟,成本低;第二代半導體材料是化合物半導體材料,屬于高頻段半導體;而第三代半導體則是以碳化硅、氮化鎵等為代表,目前處于產業發展初期?!暗谌雽w的出現,并不是一種替代關系,而是與前兩代半導體共存的關系?!壁w玉海說。

業界對第三代半導體有一個形象的比喻,稱第三代半導體材料為“半導體中的貴族”,因為其成本高昂。其實,早在20多年前,國際上已經掀起了研究第三代半導體之風,但由于成本高,市場發展不夠成熟,所以一直未形成產業規模。如今,科技創新打開了市場需求,第三代半導體研發正當時。

“以現在發展的5G技術為例,第一代半導體的整合硅材料已經難以適應5G技術的發展需求,如果采用了氮化鎵,優勢立刻就凸顯出來了。以氮化鎵作為主要材料生產光伏變壓器可比硅材料的變壓器提高2%-3%的轉化率,這對大型企業而言,非常有利?!壁w玉海舉例說明。

力爭實現產業鏈全覆蓋

“既然說第三代半導體是‘貴族’,那么我們現在的主要任務就是讓其平民化?!壁w玉海說。

深圳是個創新發展的活力之城,既有包容性,又呈現開放性,能夠給新興產業以及配套產業提供給一個巨大的發展空間。按照原計劃,第三代半導體研究院的選址就落在南方科技大學,但因為種種原因,研究院不得不考慮遷址。

趙玉海說:“首先,我們需要的場地面積大,要20000平方米;其次,對層高要求也比較嚴苛,至少要6米以上,便于上下安裝實驗管道和空調?!睓C緣巧合,第三代半導體研究院與龍華“相遇”?!褒埲A區政府非常有誠意,相關部門積極主動與我們對接,并且給了很大的支持力度,配套產業鏈條也相當成熟,因此我們決定把研究院放在龍華?!?/p>

有別于一心埋首做研究的團隊,對第三代半導體研究院的發展,趙玉海有明晰的計劃和發展目標?!皬囊r底到外延再到芯片、模組,最后走向市場化應用,我們希望打通產業鏈上的所有關卡,實現全覆蓋?!壁w玉海說,無論是何種材料研發,都會面臨一個技術難題,即需要穩定的產業技術來支撐。因為實驗室研究出來的成果,并不代表可以立即投入到生產中。要實現產業鏈全覆蓋,而且不允許任何一個節點出現短板,這其中的難度可想而知。

目前,趙玉海帶領的這個40多人的團隊已經形成了三支隊伍,分別從氮化鎵光電、半導體芯片封裝以及襯底材料三個節點進行研究,預期到年底,第三代半導體研究院就會推出一批科研成果,并推動其產業轉化?!捌鋵?,我們做好了規劃,每年都會出一批成果,而且,我們有專業的孵化器,能起到帶動效應,讓這些項目成果盡快孵化?!?/p>

升級打造產業新引擎

如果說,很多人不太了解何謂光電子,那么利用光電子發展領域中的發光優勢所研發的照明技術,相信很多人都不陌生了?!拔覀兯熘腖ED照明就是早年利用第三代半導體材料光電子發光優勢而開發出來的,目前應用十分普遍,技術也趨于成熟?!壁w玉海說,未來第三代半導體的研究方向,將集中在三個方面:光電子、電力電子以及微波射頻。

光電子方向,第三代半導體材料可凸顯發光優勢中的亮度優勢,未來會朝Micro-Led與其他新興顯示技術方向發展。電路電子領域的發展空間非常巨大,跟城市發展中的電力傳輸、消費均有關系,亦可開發新材料應用,運用在環保和工業上?!斑€有一個重要的發展方向是能源互聯網,像驅動輪船、電動汽車、空調等,都可以利用能源互聯網進行升級,達到產品輕量化和降低能源消耗的目的?!?/p>

面向未來的5G移動通信,海量的設備連接和新的應用場景等,對超高的流量密度、連接數密度和移動性都提出了新的要求。第三代半導體技術研發的微波射頻技術,可超越前兩代半導體技術的承載能力,體現出更高頻、高效、低功耗和高功率密度的優點。除了民用的5G通信技術,微波射頻同樣可用于軍用領域?!熬湍美走_來說,用第三代半導體材料,可實現在目前探測距離的基礎上翻一番,讓探測更精確?!?/p>

研究院啟動之初,提出了五年內要實現國內領先、國際一流;十年內國際領先,立足深圳、覆蓋粵港澳大灣區、面向全國,輻射全球的計劃。同樣以五年為期,趙玉海說,屆時他的團隊要發展至450人。集各方智慧,打造開放研究的平臺,為產業的快速發展提供技術支撐,這也是設立第三代半導體研究院最重要的意義。

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