據中國科學報報道 由于我國在第三代半導體材料相關研究領域起步較晚，目前在材料的自主制備上仍面臨難關。同時，我國對基礎的材料問題關注度不夠；一旦投入與支持的力度不夠，相關人才便很難被吸引，人才隊伍建設的問題也將逐漸成為發展瓶頸。


       夜幕降臨的北京，你若有機會乘車路過北四環，都會被那光芒四射、異彩紛呈的鳥巢、水立方所吸引，甚至忍不住駐足欣賞。

       這些流光溢彩建筑的背后，主要得益于半導體照明技術的充分運用。

       可惜的是，水立方44萬套LED照明設備、鳥巢約25.8萬套LED照明設備都采購自美國科銳（CREE）公司，難覓“國產”的蹤影。

       實際上，隨著第三代半導體材料成為全球半導體研究的前沿和熱點，我國在半導體材料發光器件、微波功率器件等關鍵研究領域正迎頭趕上，甚至開始試產、試用，然而與國外同行相比，差距猶存。

       “最大的瓶頸是什么？是原材料。”中國科學院半導體研究所研究員、中國電子學會半導體與集成技術分會秘書長王曉亮在接受《中國科學報》記者采訪時說，原材料的質量、制備問題，亟待破解。

       “寬禁帶”前景廣闊

       材料、信息、能源構筑的當代文明社會，缺一不可。中科院院士、半導體物理專家黃昆與夏建白曾指出，“半導體不僅具有極其豐富的物理內涵，而且其性能可以置于不斷發展的精密工藝控制之下”，可謂是“最有料”的材料。

       相比第二代半導體材料（以砷化鎵和磷化銦為代表），以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶半導體材料具有功率密度大、體積小、質量輕的性質，應用前景廣闊，被認為是第三代半導體材料。

       “尤其是在半導體照明和微波功率器件等方面，許多國家都在新一代半導體材料上加緊部署，不甘落后。”王曉亮表示，半導體白光照明號稱“繼愛迪生發明燈泡之后的第二次照明革命”。

       目前，半導體發光器件的應用范圍之廣，覆蓋了幾乎人們可見到的各類信號燈、車內照明、信息屏、彩色顯示設備，甚至實現白光照明。

       半導體照明產業技術創新戰略聯盟秘書長吳玲認為，在未來的數年內，中國有機會成為世界半導體照明的產業強國。

       王曉亮告訴記者，氮化鎵的功率密度是砷化鎵的10~30倍；另外它的極限工作溫度也比較高，這弱化了散熱的問題。使用該材料制備的微波功率器件，將能夠更好地用于通信、雷達、手機基站、信息處理、自動化控制等關鍵領域。

       “在微波功率器件上的應用，是各國爭奪的戰略高地。”王曉亮說，這些無論是在軍用領域還是在民用市場，都非常重要。

       以寬禁帶半導體材料制備的新一代電力電子器件損耗更低，效率更高，有望在“智能電網”工程中一展身手。王曉亮對記者說，新一代的電力電子器件（如氮化鎵和碳化硅材料的功率開關）將會在電力系統的發電、輸電、變電、配電、用電和調度各個環節發揮節能效用，降低電力損耗。

       跨越發展的契機

       “如果我們能抓住以氮化物為代表的寬禁帶半導體材料發展的機遇，將提供給我們實現跨越發展的契機。”王曉亮表示。

       毫無疑問，我國作為世界上最大的電子產品設備生產和消費國及最大的半導體材料消費國，在半導體材料方面實現跨越式發展，戰略意義重大。

       “在崛起發展的過程中，一些西方國家從未間斷對我國的騷擾，竭力遏制我們的發展。軍事、經濟、貨幣等方面的壓制，歸結起來都是科技力量的角逐。”王曉亮說，只有依靠科技創新，才有自主保障，才不會被別有用心的勢力所牽制。

       據王曉亮介紹，美國早在1993年就已經研制出第一支氮化鎵的材料和器件，而我國最早的研究隊伍——中國科學院半導體研究所在1995年也起步該方面的研究，并于2000年做出HEMT結構材料（高電子遷移率晶體管）。

       自此之后，半導體所成績斐然，先后合作研制出我國第一支GaN基HEMT器件、第一支GaN基X波段微波功率器件、第一塊GaN基微波單片集成電路等等。

       經過多年的創新研究，我國在一些研究中也逐漸躋身前列，例如我國中科院半導體所研制的AlGaN/GaN結構的室溫遷移率超過2100cm2/v·s，具有世界領先水平。

       “國外比我們先行一步，我們承認差距，但是我們要本著‘引進—消化—吸收—創新’的科學態度，學習他們的先進經驗，節約我們的資源和時間成本，跨越發展，最終通過自主創新實現超越。”王曉亮說。

       自主制備面臨難關

       王曉亮告訴記者，我國目前在第三代半導體材料的自主制備上仍面臨難關。

       湖南大學應用物理系副教授曾健平撰文指出，目前我國對SiC晶元的制備尚為空缺，實驗的材料多來自于美國，新材料的制備需要新的生產線及新的工藝，而當前的情況是，我國的大多數設備都靠國外進口。

       MOCVD系統是LED外延片、微波功率的異質結構材料生產的必需設備，隨著化合物半導體器件市場的不斷擴大，MOCVD系統的需求量不斷增長，而我國幾乎全部依賴進口。

       據了解，國際上主要的MOCVD設備供應商——德國AIXTRON公司和美國VEECO公司——對單臺MOCVD設備的報價達2000萬元人民幣，而我國2012年即購入數十臺，費用令人咋舌。

       即便如此，類似MOCVD系統這樣的關鍵的設備，涉及國防科技，即使依靠進口也難以獲得最優性能。“國外能隨隨便便把最好的設備賣給你嗎？”王曉亮反問道。

       據悉，自上世紀80年代以來，我國MOCVD設備國產化之路并非順風順水，至今我國MOCVD設備還停留在工程樣機階段，目前僅用于科研，尚無能夠提供用于成熟工業化生產的MOCVD設備的廠家。

       “材料本身的顯示度不大，人們對材料的關注容易被弱化。”王曉亮認為材料制備方面欠賬的原因之一，是材料沒有受到應有的重視。

       “材料位于產業鏈中的上游，如果對材料重視不夠，中游的器件和電路、下游的系統可想而知。”王曉亮說，產業鏈下游的產出要以上游材料為基礎，而事實上我國對基礎的材料問題的關注度不夠；一旦投入與支持的力度不夠，相關人才便很難被吸引，人才隊伍建設的問題也將逐漸成為發展瓶頸。