怎样让第三代半导体这个“贵族”平民化？

半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗等，其中，硅是在商业应用上最具有影响力的一种。第三代半导体，主要包括目前即将成熟应用的碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN），也包括其他氮化物半导体、氧化物半导体和金刚石等宽禁带及超宽禁带半导体材料，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，因此也被业内誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”以及光电子和微电子等产业的“新发动机”。

2018年3月31日，深圳第三代半导体研究院成立。2018年7月底，研究院正式投入实际的研发工作，启动第一批研发项目。如今，在南方科技大学台州楼的深圳第三代半导体研究院，已有一个40多人的团队，均为国内、国际一流的人才，其中一半以上从事科学研究工作。

对第三代半导体的开发和市场应用空间，研究院院长赵玉海相当有信心，认为“其发展空间巨大”。第三代半导体素有半导体“贵族”之称，赵玉海和他的团队成员，如今正努力做着一件事——让第三代半导体这个“贵族”平民化。

市场需求推动产业发展

去年高交会期间，第三代半导体研究院与龙华区签订了合作框架协议，选择落户龙华，以深圳报业集团旧厂房改造研究实验室用地。这意味着未来几年，这个由深圳第三代半导体产业技术创新战略联盟牵头，联合南方科技大学、复旦大学、中科院等高校、科研究所、骨干企业共建的新型民办非盈利研发机构将在龙华研究新型的第三代半导体材料，并助力龙华在新能源汽车、移动通信、消费电子、光电显示等领域提升核心竞争力，促进产业转型发展。

在谈及第三代半导体之前，赵玉海首先普及了第一代和第二代半导体的发展情况。赵玉海表示，第一代半导体是以整合硅、锗元素等为代表的半导体材料，其优势是周期长，发展成熟，成本低；第二代半导体材料是化合物半导体材料，属于高频段半导体；而第三代半导体则是以碳化硅、氮化镓等为代表，目前处于产业发展初期。“第三代半导体的出现，并不是一种替代关系，而是与前两代半导体共存的关系。”赵玉海说。

业界对第三代半导体有一个形象的比喻，称第三代半导体材料为“半导体中的贵族”，因为其成本高昂。其实，早在20多年前，国际上已经掀起了研究第三代半导体之风，但由于成本高，市场发展不够成熟，所以一直未形成产业规模。如今，科技创新打开了市场需求，第三代半导体研发正当时。

“以现在发展的5G技术为例，第一代半导体的整合硅材料已经难以适应5G技术的发展需求，如果采用了氮化镓，优势立刻就凸显出来了。以氮化镓作为主要材料生产光伏变压器可比硅材料的变压器提高2%-3%的转化率，这对大型企业而言，非常有利。”赵玉海举例说明。

力争实现产业链全覆盖

“既然说第三代半导体是‘贵族’，那么我们现在的主要任务就是让其平民化。”赵玉海说。

深圳是个创新发展的活力之城，既有包容性，又呈现开放性，能够给新兴产业以及配套产业提供给一个巨大的发展空间。按照原计划，第三代半导体研究院的选址就落在南方科技大学，但因为种种原因，研究院不得不考虑迁址。

赵玉海说：“首先，我们需要的场地面积大，要20000平方米；其次，对层高要求也比较严苛，至少要6米以上，便于上下安装实验管道和空调。”机缘巧合，第三代半导体研究院与龙华“相遇”。“龙华区政府非常有诚意，相关部门积极主动与我们对接，并且给了很大的支持力度，配套产业链条也相当成熟，因此我们决定把研究院放在龙华。”

有别于一心埋首做研究的团队，对第三代半导体研究院的发展，赵玉海有明晰的计划和发展目标。“从衬底到外延再到芯片、模组，最后走向市场化应用，我们希望打通产业链上的所有关卡，实现全覆盖。”赵玉海说，无论是何种材料研发，都会面临一个技术难题，即需要稳定的产业技术来支撑。因为实验室研究出来的成果，并不代表可以立即投入到生产中。要实现产业链全覆盖，而且不允许任何一个节点出现短板，这其中的难度可想而知。

目前，赵玉海带领的这个40多人的团队已经形成了三支队伍，分别从氮化镓光电、半导体芯片封装以及衬底材料三个节点进行研究，预期到年底，第三代半导体研究院就会推出一批科研成果，并推动其产业转化。“其实，我们做好了规划，每年都会出一批成果，而且，我们有专业的孵化器，能起到带动效应，让这些项目成果尽快孵化。”

升级打造产业新引擎

如果说，很多人不太了解何谓光电子，那么利用光电子发展领域中的发光优势所研发的照明技术，相信很多人都不陌生了。“我们所熟知的LED照明就是早年利用第三代半导体材料光电子发光优势而开发出来的，目前应用十分普遍，技术也趋于成熟。”赵玉海说，未来第三代半导体的研究方向，将集中在三个方面：光电子、电力电子以及微波射频。

光电子方向，第三代半导体材料可凸显发光优势中的亮度优势，未来会朝Micro-Led与其他新兴显示技术方向发展。电路电子领域的发展空间非常巨大，跟城市发展中的电力传输、消费均有关系，亦可开发新材料应用，运用在环保和工业上。“还有一个重要的发展方向是能源互联网，像驱动轮船、电动汽车、空调等，都可以利用能源互联网进行升级，达到产品轻量化和降低能源消耗的目的。”

面向未来的5G移动通信，海量的设备连接和新的应用场景等，对超高的流量密度、连接数密度和移动性都提出了新的要求。第三代半导体技术研发的微波射频技术，可超越前两代半导体技术的承载能力，体现出更高频、高效、低功耗和高功率密度的优点。除了民用的5G通信技术，微波射频同样可用于军用领域。“就拿雷达来说，用第三代半导体材料，可实现在目前探测距离的基础上翻一番，让探测更精确。”

研究院启动之初，提出了五年内要实现国内领先、国际一流；十年内国际领先，立足深圳、覆盖粤港澳大湾区、面向全国，辐射全球的计划。同样以五年为期，赵玉海说，届时他的团队要发展至450人。集各方智慧，打造开放研究的平台，为产业的快速发展提供技术支撑，这也是设立第三代半导体研究院最重要的意义。
责任编辑：wv