鎵族科技：超寬禁帶材料先行者

劉超

半導(dǎo)體對20世紀(jì)人類的影響令人驚嘆。半導(dǎo)體與原子能、激光器和電子計算機(jī)一起，被譽(yù)為20世紀(jì)的“新四大發(fā)明”，而半導(dǎo)體的發(fā)展又決定著電子計算機(jī)和激光器的發(fā)展進(jìn)程。試想一下，如果沒有半導(dǎo)體，我們的生活會不會變得單調(diào)？越來越多的“手機(jī)控”“低頭族”們?nèi)绻麤]有了手機(jī)和平板電腦等移動通訊或媒體設(shè)備，他們會不會痛不欲生？

時至今日，半導(dǎo)體材料已經(jīng)經(jīng)歷了第1代的硅、鍺，第2代的砷化鎵、磷化銦，而當(dāng)下最有發(fā)展前途的第3代半導(dǎo)體材料——碳化硅和氮化鎵，由于其禁帶寬度遠(yuǎn)大于前2代，因而被稱為“寬禁帶半導(dǎo)體材料”。幾乎每一代新材料的出現(xiàn)都會給相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來一次“革命性”的巨變。那么，寬禁帶半導(dǎo)體再發(fā)展之后，會不會出現(xiàn)禁帶寬度更寬的半導(dǎo)體？

北京鎵族科技有限公司（以下簡稱“鎵族科技”）剛剛成立一年多的時間，在半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)幾乎還沒有人知曉，但他們的產(chǎn)品卻能成為時下半導(dǎo)體材料中的翹楚——氧化鎵，一種比目前氮化硅和氮化鎵禁帶寬度更寬的“超寬禁帶”半導(dǎo)體材料，與金剛石等一起被稱為是“第4代半導(dǎo)體”材料。相對于許多人還停留在一提到半導(dǎo)體就想到了硅一樣，氧化鎵半導(dǎo)體對大多數(shù)人來說則更顯得神秘和“高冷”。

為此，我們走近鎵族科技，請公司董事長、北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師——唐為華講述氧化鎵半導(dǎo)體材料的“高冷”范兒因何而來？同時，也讓我們深入了解鎵族科技——這個剛滿“周歲”的初創(chuàng)企業(yè)。

北京鎵族科技有限公司是國內(nèi)首家、國際第2家專業(yè)從事超寬禁帶半導(dǎo)體——氧化鎵材料及其相關(guān)器件研發(fā)的創(chuàng)新型高科技企業(yè)。在習(xí)總書記十九大報告“迎接新時代，踏上新征程”的感召下，憑借國際領(lǐng)先的氧化鎵研究方面的技術(shù)優(yōu)勢和高層次人才團(tuán)隊，由北京首都科技發(fā)展集團(tuán)有限公司和北京順義科技創(chuàng)新集團(tuán)有限公司注資成立，開啟寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵產(chǎn)業(yè)化開發(fā)新征程。主要產(chǎn)品為氧化鎵單晶襯底、外延薄膜襯底、氧化鎵基日盲紫外光電器件、高功率電力電子器件和高頻大功率通信器件等。肩負(fù)掌握自主核心知識產(chǎn)權(quán)，打破國外在超寬禁帶半導(dǎo)體關(guān)鍵材料和核心芯片領(lǐng)域技術(shù)封鎖的國“鎵”使命。銘記初心，遵循一代材料、一代器件，一代產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)律，助力中國制造的強(qiáng)國戰(zhàn)略，創(chuàng)造社會和經(jīng)濟(jì)價值。

“卡”不住的半導(dǎo)體材料——氧化鎵

禁帶寬度和擊穿場強(qiáng)是半導(dǎo)體的2個重要參數(shù)，決定著半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域。氧化鎵的禁帶寬度達(dá)到了4.8～5.3eV，遠(yuǎn)高于碳化硅和氮化鎵的3.3～3.5 eV；另外，氧化鎵的擊穿場強(qiáng)8MV/cm，是氮化鎵（3.3MV/cm）和碳化硅（2.5MV/cm）的2～3倍。這就決定了氧化鎵具有比后者更高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，抗輻照能力更強(qiáng)能夠，承受的工作電壓更高。因此，氧化鎵材料適用于未來制造高頻、大功率、深紫外和高密度集成的半導(dǎo)體器件。氧化鎵的禁帶寬度正對應(yīng)日盲紫外區(qū)（波長200～300nm），因此氧化鎵是天然的日盲區(qū)探測材料。另外，氧化鎵極高的擊穿場強(qiáng)是制備大功率器件不可替代的優(yōu)選材料。因此，寬禁帶氧化鎵半導(dǎo)體技術(shù)將是支撐通信、軌道交通、新能源汽車等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)。據(jù)專家測算，碳化硅功率器件比硅器件要節(jié)能80%，而氧化鎵功率器件又比碳化硅器件節(jié)能80%左右。因此氧化鎵半導(dǎo)體器件在高功率、低功耗器件方面具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

隨著高質(zhì)量2英寸氧化鎵單晶的成功制備以來，氧化鎵材料受到各國科研人員的高度關(guān)注。其中“氧化鎵及相關(guān)材料專題國際研討會”于 2015年和2017年分別在日本和意大利召開。美國空軍研究實(shí)驗室傳感器件部于2017年發(fā)表“氧化鎵技術(shù)評估報告”。2018年1月份美國物理學(xué)會發(fā)表嘉賓社論“氧化鎵——微電子及其器件的曙光”。國內(nèi)，2017年南京大學(xué)半導(dǎo)體材料與器件專家鄭有炓院士在全國第二屆寬禁帶半導(dǎo)體會議上指出“氧化鎵是寬禁帶半導(dǎo)體未來的4大發(fā)展方向之一”。同時氧化鎵材料已被寫入國家重點(diǎn)研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的申請指南中。北京市科學(xué)技術(shù)委員會也將“3英寸氧化鎵單晶襯底及外延工藝研究”列為前沿新材料專項招標(biāo)課題，氧化鎵材料已然形成研究熱點(diǎn)。唐為華教授說“氧化鎵開啟了寬禁帶半導(dǎo)體的新篇章”。

前不久，《科技日報》報道了我國35項“卡脖子”的技術(shù)和60多項尚未掌控的核心技術(shù)，其中就有半導(dǎo)體材料的制備技術(shù)。更重要的是，涉及到高端半導(dǎo)體材料和設(shè)備，美國、日本等一直對我國采取禁運(yùn)措施，這也是我國在半導(dǎo)體材料和器件長期落后于世界先進(jìn)水平的主要原因。從現(xiàn)實(shí)看，我國在前2代半導(dǎo)體的發(fā)展步伐確實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外，而以碳化硅和氮化鎵為代表的第3代半導(dǎo)體雖然已經(jīng)縮小了與國外先進(jìn)技術(shù)的差距，但想要追趕上實(shí)現(xiàn)并跑，仍需時日。

唐為華教授分析：“國內(nèi)在第3代半導(dǎo)體材料上一直落后于歐美，在追趕歐美的時候還要受到很多外部的限制，比如器件制備工藝和生產(chǎn)設(shè)備。短期內(nèi)難以取得實(shí)質(zhì)性的領(lǐng)先優(yōu)勢。但氧化鎵就不一樣了，目前全球幾乎都處在一個起跑線上，鎵族科技的部分技術(shù)甚至要領(lǐng)先于歐、美、日，這就意味著我國不會繼續(xù)被國外所制約。當(dāng)然，這個產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程不可能是一帆風(fēng)順的，肯定會有很多技術(shù)難點(diǎn)需要突破，既然都在一個賽道上，我們有信心能解決遇到的困難”。

2017年年底，鎵族科技在北京成立，由首都科技發(fā)展集團(tuán)和順義科創(chuàng)集團(tuán)旗下的三新基金注資，是我國第1家、全球第2家專注于氧化鎵半導(dǎo)體材料與器件的商業(yè)化公司。作為鎵族科技的董事長和技術(shù)總負(fù)責(zé)人，唐為華教授介紹說，“我們的研究團(tuán)隊從2011年開始將目光對準(zhǔn)了氧化鎵半導(dǎo)體材料，而這個時期正好也是國際上對氧化鎵半導(dǎo)體研究的起步階段。這些年我們潛心研究，專注氧化鎵這一件事，取得了國際公認(rèn)的科研成果。正是基于深厚的基礎(chǔ)科研積累，氧化鎵產(chǎn)業(yè)化開發(fā)才有了厚實(shí)的基礎(chǔ)”。我們期待唐為華教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊在寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵研究方面實(shí)現(xiàn)“頂天立地”，從基礎(chǔ)學(xué)術(shù)研究，到產(chǎn)業(yè)開發(fā)，到技術(shù)應(yīng)用。通過唐為華教授的介紹可知，就超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程而言，我國基本已經(jīng)與國外同步。國內(nèi)半導(dǎo)體材料有望擺脫“被卡”的命運(yùn)指日可待。

落地順義 成績突出

截至本文完稿已然是2018年底，距離2019年的元旦只有不到一周時間。從鎵族科技成立算起，這個剛剛過完“1周歲”生日的初創(chuàng)企業(yè)已經(jīng)成績斐然。

唐為華教授介紹，鎵族科技成立一年以來，目前已經(jīng)申請近18項國家專利。在北京市科委“3英寸氧化鎵單晶襯底及外延工藝研究”招標(biāo)課題的推動下，公司在氧化鎵單晶晶體生長及氧化外延薄膜生長方面取得重要進(jìn)展，獲得高質(zhì)量的單晶晶坯，為國內(nèi)領(lǐng)先水平，接近日本同期水平。外延薄膜方面，鎵族科技的2英寸氧化鎵外延薄膜結(jié)晶性和均勻性都得到陣列化日盲紫外探測器的驗證，均勻性優(yōu)于國外同類薄膜產(chǎn)品，且薄膜生長速度快。在氧化鎵基日盲紫外探測陣列器件芯片研制方面，已實(shí)現(xiàn)64×64陣列芯片，芯片對日盲波段紫外光的響應(yīng)度、探測率、紫外/可見抑制比、響應(yīng)時間等指標(biāo)均可以滿足日盲紫外探測成像系統(tǒng)的應(yīng)用。鎵族科技入選2018年中關(guān)村示范區(qū)分園高精尖產(chǎn)業(yè)培育“重大前沿原創(chuàng)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化項目”。應(yīng)邀參加2018年全國大眾創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新活動周北京會場展示，被作為高校教師創(chuàng)業(yè)范例，媒體采訪與成都主會場互動。國家發(fā)展和改革委員會、科技部創(chuàng)新發(fā)展司以及中關(guān)村科技園區(qū)管理委員會、中關(guān)村發(fā)展集團(tuán)等相關(guān)單位領(lǐng)導(dǎo)蒞臨展臺參觀，給予鎵族科技的氧化鎵產(chǎn)業(yè)化項目積極評價。2018年12月10日，北京市委書記蔡奇和市長陳吉寧一行參觀“中關(guān)村示范區(qū)創(chuàng)新成果展暨中關(guān)村改革開放40周年”座談會，鎵族科技得到市領(lǐng)導(dǎo)的高度關(guān)注。

早在2017年12月，北京市政府公布的《加快科技創(chuàng)新發(fā)展新一代信息技術(shù)等10個高精尖產(chǎn)業(yè)的指導(dǎo)意見》中明確北京市在未來將重點(diǎn)發(fā)展新材料、節(jié)能環(huán)保、醫(yī)藥健康、新一代信息技術(shù)、集成電路等10大高精尖產(chǎn)業(yè)。而在《北京市加快科技創(chuàng)新發(fā)展新材料產(chǎn)業(yè)的指導(dǎo)意見》中明確：到2020年，要突破一批前沿新材料原始創(chuàng)新技術(shù)和關(guān)鍵戰(zhàn)略材料核心制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一批重大創(chuàng)新成果在京轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化；前瞻性地布局前沿新材料研發(fā)，加快關(guān)鍵戰(zhàn)略材料的研制。鎵族科技的初創(chuàng)正值這一重大機(jī)遇期，自然而然獲得了科技和產(chǎn)業(yè)推動者的關(guān)注。

鎵族科技在成立之初，選擇將公司立足于北京市順義區(qū)。順義區(qū)作為北京市推動關(guān)鍵戰(zhàn)略材料產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展的新材料產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)之一，承接著第3代半導(dǎo)體材料、高性能纖維及復(fù)合材料和高端裝備用特種合金3大關(guān)鍵戰(zhàn)略材料產(chǎn)業(yè)。鎵族科技作為先進(jìn)半導(dǎo)體研發(fā)企業(yè)，落戶順義不僅可享受到當(dāng)?shù)卣槍π虏牧掀髽I(yè)實(shí)施的優(yōu)惠產(chǎn)業(yè)政策，還能與許多半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)進(jìn)行合作，利于企業(yè)相互協(xié)同發(fā)展。

唐為華教授說：“接下來，鎵族科技還將建立適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)業(yè)化研發(fā)平臺，聯(lián)合國內(nèi)及國際優(yōu)秀科技人員，對超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵從材料、設(shè)備、器件到應(yīng)用各個產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)自主研發(fā)或協(xié)同攻關(guān)。承擔(dān)重大研發(fā)項目，與創(chuàng)投基金合作，孵化氧化鎵產(chǎn)業(yè)化項目，或進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)移。吸引國內(nèi)外高層次人才加盟，使這個平臺成為氧化鎵產(chǎn)業(yè)的人才聚集地和技術(shù)聚集地?！蔽磥淼难趸壆a(chǎn)業(yè)技術(shù)研究平臺，將利用北京在半導(dǎo)體材料與器件方面的科技優(yōu)勢，建設(shè)國際先進(jìn)的氧化鎵產(chǎn)業(yè)化研發(fā)中心，服務(wù)全國氧化鎵產(chǎn)業(yè)更好地發(fā)展。

敢為天下先，必具有獨(dú)特的視角和考量。鎵族科技已經(jīng)成為我國超寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化的先行者，邁出了第一步。唐為華教授說：“我們希望結(jié)合北京市的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)布局，聯(lián)合國內(nèi)在寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域的優(yōu)勢力量，提升我國寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的國際競爭力，穩(wěn)固我國在氧化鎵半導(dǎo)體材料上的領(lǐng)先地位，擔(dān)國‘鎵重任，為《中國制造2025》和實(shí)現(xiàn)民族科技自主化建設(shè)添磚加瓦?！?/p>