近日，以“科技自立自強雙創(chuàng)驅(qū)動發(fā)展”為主題的2022“科創(chuàng)中國”年度會議召開。會上，中國科協(xié)發(fā)布了2021年“科創(chuàng)中國”系列榜單。其中，“先導(dǎo)技術(shù)榜”面向生物醫(yī)藥、資源環(huán)境、電子信息、裝備制造、先進材料、現(xiàn)代農(nóng)林等六大領(lǐng)域，遴選出了100項具有廣闊應(yīng)用場景、高經(jīng)濟和社會效益的先導(dǎo)技術(shù)。
中山大學(xué)微電子學(xué)院王鋼教授領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)團隊耗費十多年自主研發(fā)的“大尺寸氧化鎵單晶薄膜異質(zhì)外延生長技術(shù)及核心裝備”既是廣東省高校唯一入選的項目，也是廣州地區(qū)唯一入選的項目。王鋼團隊的這項技術(shù)將在中國乃至全球新興超寬禁帶功率半導(dǎo)體材料領(lǐng)域形成產(chǎn)業(yè)化突破口，極大地推動中國氧化鎵基功率電子器件的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進程。
中山大學(xué)微電子學(xué)院教授王鋼
本次研究成果登上國家級榜單，背后是王鋼團隊十余年磨一劍的堅韌。“每次推開一道門，都需要經(jīng)過不斷地探索，反復(fù)地試錯，才能找到下一道門。”王鋼對記者感嘆道。
實現(xiàn)并跑領(lǐng)跑，他們決定破題“氧化鎵”
2004年，在日本富士通量子器件公司擔(dān)任研發(fā)工程師的王鋼加入中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點實驗室，并組建了自己的團隊。在中山大學(xué)大學(xué)城校區(qū)光電材料與技術(shù)國家重點實驗室的大樓里，王鋼團隊用18年時間將寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件實驗室建設(shè)成型，寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件也成為這家國家重點實驗室的重要研究方向之一。
回國后的前8年，王鋼團隊主要聚焦支撐LED產(chǎn)業(yè)的氮化物半導(dǎo)體材料。“在氮化物領(lǐng)域，我們感覺長期處在跟跑狀態(tài)，所以一直在思考有哪些新的材料可實現(xiàn)并跑甚至領(lǐng)跑。”王鋼說道，最終他們把目光鎖定在超寬禁帶半導(dǎo)體材料上。
禁帶寬度的大小，決定了材料的導(dǎo)電能力。禁帶越寬，導(dǎo)電性越低：如金屬的禁帶寬度為零，而絕緣體的禁帶寬度則很寬。半導(dǎo)體在常溫下的導(dǎo)電性能則介于導(dǎo)體與絕緣體之間。
寬禁帶、超寬禁帶半導(dǎo)體材料的一大優(yōu)點便是節(jié)能，比如LED照明應(yīng)用寬禁帶半導(dǎo)體材料技術(shù)，其相比傳統(tǒng)的白熾燈照明，能效提升了數(shù)倍。氮化鎵和碳化硅是第三代半導(dǎo)體晶圓材料的主流選擇，其禁帶寬度大概在3.4eV（電子伏特）左右，屬于寬禁帶半導(dǎo)體材料。氧化鎵則是超寬禁帶半導(dǎo)體材料，因為其禁帶寬度大概在5eV。
特殊的屬性讓氧化鎵有著“擊穿電場強度更強”“功率損耗更低”等優(yōu)勢。氧化鎵可讓人們使用更少的材料制造出具有更高耐壓、更強功率處理能力的功率半導(dǎo)體器件，器件同時可以更薄、更輕。
功率半導(dǎo)體器件是逆變裝置里的核心器件，交流電和直流電的轉(zhuǎn)換便是逆變。隨著高鐵、電動汽車以及高壓電網(wǎng)輸電系統(tǒng)的快速發(fā)展，全世界急切的需要具有更高轉(zhuǎn)換效率的高壓大功率半導(dǎo)體器件。氧化鎵功率半導(dǎo)體器件在與氮化鎵和碳化硅相同的耐壓情況下，導(dǎo)通電阻更低、功耗更小、更耐高溫、能夠極大地節(jié)約高壓器件工作時的電能損失。
因為氧化鎵的材料屬性優(yōu)勢明顯，王鋼帶領(lǐng)團隊開始解決氧化鎵半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵核心問題
“僅從節(jié)能的角度來理解超寬禁帶半導(dǎo)體材料不夠全面，氧化鎵功率半導(dǎo)體器件允許在更高的溫度下操作，從而減少對龐大的冷卻器件系統(tǒng)的需求。氧化鎵在消費電子、5G通信、智能電網(wǎng)、軌道交通、雷達探測等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，氧化鎵基器件被稱為‘迄今為止最堅固耐用的晶體管’”。王鋼告訴記者，隨著科技發(fā)展，社會的數(shù)字化、智能化程度不斷提升，被稱為“第四代超寬禁帶半導(dǎo)體材料”的氧化鎵將會有更多的應(yīng)用場景。
氧化鎵已經(jīng)成為國際上超寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究熱點，比如日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省便計劃為致力于開發(fā)“氧化鎵”的私營企業(yè)和大學(xué)提供財政支持。目前中國在氧化鎵材料方向的研究正處于開拓階段，仍然缺乏自主生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)氧化鎵材料的能力。
從0到1 打造半導(dǎo)體制備核心設(shè)備
半導(dǎo)體器件和電路在半導(dǎo)體材料晶圓的表層形成。而晶圓制備包括襯底制備和外延工藝兩大環(huán)節(jié)。襯底是由半導(dǎo)體單晶材料制造而成的晶圓片。外延則是指在經(jīng)過切、磨、拋等仔細加工的單晶襯底上生長一層新單晶薄膜的過程。新單晶薄膜可以與襯底為同一材料，也可以是不同材料。而第三代和第四代半導(dǎo)體器件幾乎都做在外延層的單晶薄膜上，這層薄膜的質(zhì)量、均勻度等參數(shù)直接決定著器件的各項電學(xué)性能。
“就氧化鎵半導(dǎo)體器件來說，主要發(fā)揮關(guān)鍵核心電學(xué)功能是這層透明氧化鎵膜，這個膜只有幾微米級（1米的一百萬分之一）的厚度。襯體只是起支撐作用，以方便后期對這層薄膜進行加工。”王鋼告訴記者。
晶圓制備包括襯底制備和外延工藝兩大環(huán)節(jié)
氧化鎵這種材料在自然界根本不存在，需要人工進行合成，氧和鎵兩種元素的反應(yīng)需要在接近1000攝氏度的環(huán)境下進行。
化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)是用來制備高純、高性能固體薄膜的主要技術(shù)。在典型的CVD工藝過程中，把一種或多種蒸汽源原子或分子引入腔室中，在外部能量作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并在襯底表面形成需要的薄膜。所以化學(xué)氣相沉積（CVD）設(shè)備也就成為半導(dǎo)體器件制造當(dāng)中的核心設(shè)備。
化學(xué)氣相沉積設(shè)備是半導(dǎo)體器件制造當(dāng)中的核心設(shè)備
當(dāng)記者走進寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件實驗室，一代代大型CVD設(shè)備映入眼簾。王鋼說，這些都是從歐洲國家購買回來的CVD設(shè)備。當(dāng)年談判之艱辛、耗費之巨大，至今王鋼記憶猶新。“2006年我們從英國買回這臺長氮化物的機器，為了打折我們談得很辛苦，但也花了我們將近1000萬人民幣。”王鋼說。
就氧化鎵材料而言，目前國際主流的技術(shù)路線是在氧化鎵單晶襯底上采用HVPE設(shè)備同質(zhì)外延生長β相氧化鎵單晶薄膜，但其單晶制備和薄膜生長技術(shù)及設(shè)備的相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)完全掌握在日本手中。
為了實現(xiàn)氧化鎵外延材料及核心裝備從0到1的突破，王鋼帶領(lǐng)團隊開始研制大尺寸、高質(zhì)量氧化鎵半導(dǎo)體薄膜材料異質(zhì)外延生長用MOCVD（金屬有機化學(xué)氣相沉積）設(shè)備，同時研發(fā)氧化鎵單晶薄膜材料的大尺寸異質(zhì)外延生長工藝技術(shù)。
王鋼告訴記者，目前氧化鎵單晶薄膜材料生長主要面臨結(jié)晶質(zhì)量問題。“理想的半導(dǎo)體材料，是由許多原子按照一定規(guī)律的周期性排布而形成。但在半導(dǎo)體材料的制備過程中，由于各種原因，原子排布的周期性常常會被打破，材料因此就會出現(xiàn)缺陷。”王鋼說，他們的目標(biāo)就是改進材料生長技術(shù)，努力降低材料中的缺陷密度。
大尺寸同樣是王鋼團隊面臨的挑戰(zhàn)。因為半導(dǎo)體行業(yè)不僅身處科研領(lǐng)域，也和應(yīng)用市場密切關(guān)聯(lián)，對成本和價格非常敏感。對于半導(dǎo)體材料而言，制備的尺寸越大越具有價格優(yōu)勢，同樣產(chǎn)生的缺陷也會更多。
“我們?nèi)ゲㄊ款D開學(xué)術(shù)交流會議時，聽到日本專家分享氧化鎵的功率電子器件的原型。我認為我們同樣有能力完成此事，還能走出不同的技術(shù)路徑，于是我們回國之后立馬著手研究，并以藍寶石作為襯底進行異質(zhì)外延嘗試。”王鋼說，在起初的兩年時間里，他們都無法在藍寶石襯底上長出薄膜材料。這種氣悶難受的感覺一直讓王鋼難以忘懷，他也有過疑慮：這個研究方向是否真的能走向成功？
焦慮迷茫中，王鋼團隊未曾放棄。依靠長期在氮化物半導(dǎo)體元器件的研究經(jīng)驗，他們在一臺用于生產(chǎn)第二代半導(dǎo)體材料的舊式MOCVD設(shè)備上進行改造，并且對半導(dǎo)體設(shè)備反應(yīng)腔室進行獨特設(shè)計。十年來，團隊不斷調(diào)整著工藝、參數(shù)和設(shè)計方案，在近萬次的失敗中總結(jié)經(jīng)驗。最終他們實現(xiàn)氧化鎵單晶薄膜材料外延生長MOCVD設(shè)備的自主研制，并且他們采用自主研制的MOCVD設(shè)備在藍寶石、碳化硅及硅等大尺寸異質(zhì)襯底上生長了結(jié)晶質(zhì)量高，晶向一致性好的4-8英寸的ε相氧化鎵單晶薄膜。
多學(xué)科融合讓“黑盒子”可視化
王鋼身上激蕩著理想主義的情懷。他告訴記者，他這一輩子的目標(biāo)是研發(fā)出更出色的國產(chǎn)設(shè)備，進而長出更加優(yōu)質(zhì)的半導(dǎo)體材料。
在這項成果登上科創(chuàng)中國“先導(dǎo)技術(shù)榜”之前，網(wǎng)絡(luò)上基本搜尋不到這項技術(shù)的任何信息。“做半導(dǎo)體的人應(yīng)該用90%的精力去做落地的事情，我們也算是默默在做這件事。有些核心的技術(shù)甚至沒有拿出去發(fā)表論文，所以在公眾領(lǐng)域基本上沒有知名度。”王鋼告訴記者。
王鋼和其團隊自主研發(fā)的國內(nèi)首臺氧化鎵異質(zhì)外延專用多片型MOCVD量產(chǎn)裝備
在十余年來對氧化鎵材料技術(shù)的鉆研中，王鋼說自己又是幸運的，“針對一些非常前沿的技術(shù)，在國家尚未推出重點研發(fā)計劃之前，需要不斷有人去熬。其實我非常幸運，可以得到中山大學(xué)和光電材料與技術(shù)國家重點實驗室探索性課題的一些資金的支持，同時仰仗產(chǎn)學(xué)研合作伙伴在MOCVD設(shè)備制造過程中硬件的投入，探索一些沒有完全把握的事情。”王鋼說。
即便自主研發(fā)的MOCVD設(shè)備已是進展喜人，但是王鋼團隊還在努力讓氧化鎵MOCVD設(shè)備擁有更優(yōu)質(zhì)的性能從而走向大規(guī)模應(yīng)用。
一直以來，反應(yīng)腔室如同黑盒子，工程師無法實時知曉里面發(fā)生的化學(xué)變化。“我們之前把自己稱為手藝人，主要憑著經(jīng)驗，等材料長出來后發(fā)現(xiàn)缺陷，我們再回頭查看哪些環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題。”王鋼說。
這十多年來，王鋼也充分發(fā)揮光電材料與技術(shù)國家重點實驗室多學(xué)科融合的優(yōu)勢，用數(shù)字建模、數(shù)字孿生等技術(shù)實現(xiàn)對反應(yīng)腔的可視化。記者看到，在王鋼團隊自主研制的MOCVD設(shè)備旁邊，一臺計算機正在呈現(xiàn)模擬反應(yīng)腔內(nèi)部反應(yīng)過程的三維圖像，每個粒子的流動軌跡都能清晰可見。
王鋼團隊充分發(fā)揮光電材料與技術(shù)國家重點實驗室多學(xué)科融合的優(yōu)勢，用數(shù)字建模、數(shù)字孿生等技術(shù)實現(xiàn)對反應(yīng)腔的可視化
“這是一個多物理量的模擬，其中不僅能展現(xiàn)氣體的流動，還能反映溫度場、壓力場的情況。”王鋼告訴記者，十余年來的研發(fā)形成了成熟的數(shù)據(jù)庫和軟件包，他們可以憑此技術(shù)實時監(jiān)控反應(yīng)過程，并精準地預(yù)測薄膜材料的長速和均勻性，如此可縮小開發(fā)材料的時間且提高材料的良品率。
“我們有些應(yīng)用已經(jīng)超越國際同行。他們沒想到的應(yīng)用，我們也開發(fā)出來了。”王鋼對記者說道，關(guān)鍵核心技術(shù)一定要慢慢熬出來，此次團隊去申報“科創(chuàng)中國”先導(dǎo)技術(shù)榜，并非在意外界評價。他們希望借此尋得機會將裝備落地，為中國第四代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)貢獻力量。
