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半导体发展经历三代变革 推动社会发展

导读: “宽禁带半导体就像一个小孩,还没长好就被拉到市场上去应用。”在11月8日至9日召开的香山科学会议上,中科院院士、中科院半导体所研究员夏建白打的比方引起不少与会专家的共鸣。

“宽禁带半导体就像一个小孩,还没长好就被拉到市场上去应用。”在11月8日至9日召开的香山科学会议上,中科院院士、中科院半导体所研究员夏建白打的比方引起不少与会专家的共鸣。

夏建白所说的宽禁带半导体又被称为第三代半导体,氮化镓、碳化硅、氧化锌、金刚石等材料是其主要代表。

如果说以硅为代表的第一代半导体是集成电路的基石,第二代半导体如砷化镓促成了信息高速公路的崛起的话,那么第三代半导体材料技术正在成为抢占下一代信息技术、节能减排及国防安全制高点的最佳途径之一,是战略性新兴产业的重要组成内容。

现在的问题是,快速发展的第三代半导体相关产业,特别是深紫外发光和激光领域被基础研究绊住了脚。

上帝的礼物还是难题?

如果你依然对第三代半导体材料感到陌生,可以抬头看看家中无处不在的LED(发光二极管)灯。

氮化镓基蓝光LED的发明使高效白光LED照明得以实现,引起了人类照明光源的又一次革命。日本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科学家中村修二也因该工作获得了2014年诺贝尔物理学奖。

北京大学物理学院教授沈波说,氮化镓基蓝光LED的发明就像“上帝的礼物”降临人间,然而随着相关应用快速推向市场,人们逐渐发现,这个礼物里藏着很多难题。

难题何来?

夏建白告诉记者,第一代半导体硅经过几十年的发展,产业发展和基础研究齐头并进,基础扎实。相比之下,日本人开始研究第三代半导体时,很多人认为氮化镓材料的缺陷太多,难以做成高效光电器件。没想到日本竟然把蓝光LED做出来了,紧跟着就是市场的快速爆发。

“市场发展非常快,基础研究却跟不上了。”夏建白说,这是目前第三代半导体发展面临的困境。

中科院长春光学精密机械与物理研究所研究员刘可为把氮化镓基蓝光LED的发明比作做蛋糕。蛋糕做出来了,它的美味得到市场认可,但其中很多原理却不太清楚,因此当市场需要更美味的蛋糕时,遇到了麻烦。

市场倒逼基础研究加速

氮化镓基蓝光LED仅仅是一个开端,第三代半导体的确有潜力做出更大、更美味的蛋糕。

“第三代半导体材料除具有优异的光电特性外,还具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强、介电常数低等优越性能。”中科院长春光学精密机械与物理研究所研究员申德振介绍,因此它们在短波发光、激光、探测等光电子器件和高温、高压、高频大功率的电子电力器件领域有广阔应用前景。

其用武之地不胜枚举:在节能电力电子领域,有半导体照明、智能电网、高速列车等;在信息工程领域,有可见光通讯、海量光存储、高速计算等;在国防建设领域,有紫外探测器、微波器件等。

以发光和激光领域为例,申德振介绍,第三代半导体在高性能的紫外、深紫外发光和激光在生化探测、杀菌消毒、精密光刻、高精密激光加工等领域有重大应用价值。

“但在蓝光之后,想将第三代半导体往波长更短的紫外、深紫外发光和激光方向应用时,却发现还有很多重大的科学问题尚待解决。”刘可为说,这些重大的科学问题包括第三代半导体的P型掺杂、第三代半导体的点缺陷问题以及大尺寸、高精度的衬底制备技术等。

可以说,市场应用在倒逼基础研究加快进度。

刘可为告诉记者,仅就蓝光LED而言,目前国内产业规模巨大,核心专利和技术集中在日本和美国。但整体而言,国内外对第三代半导体的基础研究都相对薄弱。

“我国应加大在第三代半导体紫外、深紫外发光和激光等领域的投入,解决该领域的核心科学和技术难题,争取拥有更多具有自主知识产权的核心技术。”申德振说。

(记者:刘园园)

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