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研系国“镓”,不忘初“芯”
作者:  文章来源:  发布时间:2019-08-10  阅读次数:3514

——记西安电子科技大学宽禁带半导体研究团队

(通讯员:王皎 梁佳博)以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体材料和器件目前已经成为我国与欧美、日韩等发达国家国防战略发展和科技创新的必争前沿阵地,在国际领域,我国的第三代半导体材料与器件研究目前正从全面跟跑实现局部领跑的巨大跨越。

西安电子科技大学宽禁带半导体科研团队在郝跃院士的带领下,始终以国家重大战略需求为指导,以全面提升国产成套技术为驱使,以服务产业改善人民生活为目的,在该领域持续专注研究近25年时间,突破氮化镓从“外延设备-材料生长-器件设计-系统匹配”完整工艺链条技术研究,成果推动国产氮化物外延设备、紫外LED光电产业和高效率射频放大器等相关产业发展。2011年,团队自主建立的国产化GaN微波毫米波功率器件附加效率创造了当时的世界记录,填补了国内空白,并在近几年研究中持续刷新,目前实现器件效率达86%,依然保持该指标世界记录。经过二十多年的技术积累和持续创新,团队在宽禁带半导体领域取得了一大批国际先进、国内领先的突出成果,获得国家技术发明奖2项,国家科技进步奖1项,省部级科技一等奖10余项。

自研氮化物外延设备打破国内垄断

上世纪90年代中后期,郝跃教授敏锐地觉察到传统微电子技术研究已经接近大规模产业化,亟待向更前沿的方向转变,经过研究和考察,国际上刚刚起步的宽禁带半导体材料与器件研究成为团队新的方向。西安电子科技大学宽禁带半导体研究团队从零做起,自力更生,自筹经费,在这个当时被公认为“冷门”的领域里,他们孤军奋战了近十年。2002年,在郝跃教授的指导下,团队自主设计的第一代氮化物超高温型MOCVD设备研制成功。而这套被笑称为“作坊式”的设备,满足了材料生长、表征、测试等最基本的研究需求,很快就生长出了具有国际先进水平的GaN基外延材料。针对GaN电子材料生长中缺陷形成的物理机理,团队创造性地提出了脉冲式分时运输方法、三维岛状生长与二维平面生长交替的冠状生长方法,显著抑制了缺陷产生。基于表面反应增强MOCVD技术,团队分别于2002年、2005年、2007年研制出单片2英寸(120型)、单片4英寸(320型)和单片6英寸(620型)三代表面反应增强GaN外延MOCVD设备;在2015年成功研制第四代设备,可满足192英寸(630H型)GaN外延生长,生长温度突破1500℃。

目前团队自主研发的MOCVD系统及关键技术已经成功产业化,应用于GaN半导体器件制造企业,迄今已实现产值2.1亿元。团队自主制备的高性能氮化物半导体材料自2003年起批量应用于国内多家研究所与高校,以及日本德岛大学、新加坡国立大学等科研机构,被国际用户评价为“所研制的GaN电子材料特性达到了国际前沿水平”。研究成果荣获2009年国家技术发明二等奖。

氮化镓基紫外光电技术助产业腾飞

从微观科研世界到现实生活,宽禁带半导体已然飞入寻常百姓家。在照明领域,白色光源因为缺少三原色之一的蓝色一直无法合成,直到上世纪80年代末,这一技术才得以被攻克,这得益于第三代半导体材料氮化镓的应用。

2015年,西安电子科技大学团队攻破“氮化镓基紫外与深紫外LED光电技术”,该技术使得1千瓦紫外LED等同于传统的3.6千瓦紫外荧光照明效果,却降低了72%能耗,延长了管芯寿命,更重要的是避免了重金属污染,推动了我国紫外光电技术达到国际先进水平,成果荣获2015年国家科技进步二等奖。

通过产学研合作转化,50余家芯片、封装及应用企业应用了该项目的技术和产品。紫外LED器件、紫外灯管、紫外光源模组等产品已经在电子产品制造、印刷、水净化、医疗、农业等领域有所作用,为主要用户创造了近十亿元的经济效益。

高效率氮化镓微波功率器件创世界记录

400亿元,这是移动、联通、电信等无线通信商大约一年的电费支出,全球无线通信网络耗电更是占到了全球总发电量的10%,而这主要花在了无线通信高塔基站的耗能大户射频器件上。一般情况下,这些器件只能把不超过40%的电能转变成有用的微波信号,其余的大部分都变成了热量耗散掉。而氮化镓基微波器件具有高频、高效率、超宽频的特点,正符合未来5G通讯的需求。使用高效率微波功率器件的新型基站会比传统基站的电能消耗降低一半以上,基站寿命将大大延长,通信速率也会大大提高,我们每个人都会因此受益,得到性价比越来越高的无线通信服务。

经过多年的努力,西安电子科技大学研究团队将氮化镓基微波功率器件的效率刷新到了当前国际最高纪录86%,这也几乎达到了半导体微波功率器件电能转换的极限。相关技术成果荣获2018年国家技术发明二等奖。

如今,团队研制的高效率微波功率器件已逐步实现产品化,部分产品已经应用到我国的卫星通信、雷达等一大批国家重大工程中。下一步,团队将与华为、中兴等国内通信领军企业深度合作,筹划让研发成果在未来覆盖范围更广的5G通信基站发挥更大的作用。

    科技兴则民族兴,科技强则国家强,党的十九大将科技创新提升到前所未有的高度,对新时代如何加快建设创新型国家指明了突破方向、提出了具体任务、剖析了薄弱环节,使我们广大微电子技术工作者倍感振奋。蓝图已经绘就,蹄疾还需稳步。西安电子科技大学宽禁带半导体研究团队以习近平新时代中国特色社会主义思想为指引,坚定落实创新驱动发展战略,瞄准第三代半导体技术世界科技前沿,勠力同心,奋勇突破,不忘初心,继续前进。

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