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中山大学教授十年探索打破半导体“科技围墙”，入选“科创中国”系列榜单
近日，以“科技自立自强双创驱动发展”为主题的2022“科创中国”年度会议召开。会上，中国科协发布了2021年“科创中国”系列榜单。其中，“先导技术榜”面向生物医药、资源环境、电子信息、装备制造、先进材料、现代农林等六大领域，遴选出了100项具有广阔应用场景、高经济和社会效益的先导技术。
中山大学电子与信息工程学院（微电子学院）王钢教授领导的研发团队耗费十多年自主研发的“大尺寸氧化镓单晶薄膜异质外延生长技术及核心装备”既是广东省高校唯一入选的项目，也是广州地区唯一入选的项目。
王钢团队的这项技术将在中国乃至全球新兴超宽禁带功率半导体材料领域形成产业化突破口，极大地推动中国氧化镓基功率电子器件的发展和产业化进程。
中山大学电子与信息工程学院（微电子学院）教授王钢
本次研究成果登上国家级榜单，背后是王钢团队十余年磨一剑的坚韧。“每次推开一道门，都需要经过不断地探索，反复地试错，才能找到下一道门。”王钢对记者感叹道。
实现并跑领跑，他们决定破题“氧化镓”
2004年，在日本富士通量子器件公司担任研发工程师的王钢加入中山大学光电材料与技术国家重点实验室，并组建了自己的团队。在中山大学大学城校区光电材料与技术国家重点实验室的大楼里，王钢团队用18年时间将宽禁带半导体材料和器件实验室建设成型，宽禁带半导体材料和器件也成为这家国家重点实验室的重要研究方向之一。
回国后的前8年，王钢团队主要聚焦支撑LED产业的氮化物半导体材料。“在氮化物领域，我们感觉长期处在跟跑状态，所以一直在思考有哪些新的材料可实现并跑甚至领跑。”王钢说道，最终他们把目光锁定在超宽禁带半导体材料上。
禁带宽度的大小，决定了材料的导电能力。禁带越宽，导电性越低：如金属的禁带宽度为零，而绝缘体的禁带宽度则很宽。半导体在常温下的导电性能则介于导体与绝缘体之间。
宽禁带、超宽禁带半导体材料的一大优点便是节能，比如LED照明应用宽禁带半导体材料技术，其相比传统的白炽灯照明，能效提升了数倍。氮化镓和碳化硅是第三代半导体晶圆材料的主流选择，其禁带宽度大概在3.4eV（电子伏特）左右，属于宽禁带半导体材料。氧化镓则是超宽禁带半导体材料，因为其禁带宽度大概在5eV。
特殊的属性让氧化镓有着“击穿电场强度更强”“功率损耗更低”等优势。氧化镓可让人们使用更少的材料制造出具有更高耐压、更强功率处理能力的功率半导体器件，器件同时可以更薄、更轻。
功率半导体器件是逆变装置里的核心器件，交流电和直流电的转换便是逆变。随着高铁、电动汽车以及高压电网输电系统的快速发展，全世界急切的需要具有更高转换效率的高压大功率半导体器件。氧化镓功率半导体器件在与氮化镓和碳化硅相同的耐压情况下，导通电阻更低、功耗更小、更耐高温、能够极大地节约高压器件工作时的电能损失。
因为氧化镓的材料属性优势明显，王钢带领团队开始解决氧化镓半导体材料产业化的关键核心问题
“仅从节能的角度来理解超宽禁带半导体材料不够全面，氧化镓功率半导体器件允许在更高的温度下操作，从而减少对庞大的冷却器件系统的需求。氧化镓在消费电子、5G通信、智能电网、轨道交通、雷达探测等领域有广阔的应用前景，氧化镓基器件被称为‘迄今为止最坚固耐用的晶体管’”。王钢告诉记者，随着科技发展，社会的数字化、智能化程度不断提升，被称为“第四代超宽禁带半导体材料”的氧化镓将会有更多的应用场景。
氧化镓已经成为国际上超宽禁带半导体领域的研究热点，比如日本经济产业省便计划为致力于开发“氧化镓”的私营企业和大学提供财政支持。目前中国在氧化镓材料方向的研究正处于开拓阶段，仍然缺乏自主生产优质氧化镓材料的能力。
从0到1 打造半导体制备核心设备
半导体器件和电路在半导体材料晶圆的表层形成。而晶圆制备包括衬底制备和外延工艺两大环节。衬底是由半导体单晶材料制造而成的晶圆片。外延则是指在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底上生长一层新单晶薄膜的过程。新单晶薄膜可以与衬底为同一材料，也可以是不同材料。而第三代和第四代半导体器件几乎都做在外延层的单晶薄膜上，这层薄膜的质量、均匀度等参数直接决定着器件的各项电学性能。
“就氧化镓半导体器件来说，主要发挥关键核心电学功能是这层透明氧化镓膜，这个膜只有几微米级（1米的一百万分之一）的厚度。衬体只是起支撑作用，以方便后期对这层薄膜进行加工。”王钢告诉记者。
晶圆制备包括衬底制备和外延工艺两大环节
氧化镓这种材料在自然界根本不存在，需要人工进行合成，氧和镓两种元素的反应需要在接近1000摄氏度的环境下进行。
化学气相沉积（CVD）技术是用来制备高纯、高性能固体薄膜的主要技术。在典型的CVD工艺过程中，把一种或多种蒸汽源原子或分子引入腔室中，在外部能量作用下发生化学反应并在衬底表面形成需要的薄膜。所以化学气相沉积（CVD）设备也就成为半导体器件制造当中的核心设备。
化学气相沉积设备是半导体器件制造当中的核心设备
当记者走进宽禁带半导体材料和器件实验室，一代代大型CVD设备映入眼帘。王钢说，这些都是从欧洲国家购买回来的CVD设备。当年谈判之艰辛、耗费之巨大，至今王钢记忆犹新。“2006年我们从英国买回这台长氮化物的机器，为了打折我们谈得很辛苦，但也花了我们将近1000万人民币。”王钢说。
就氧化镓材料而言，目前国际主流的技术路线是在氧化镓单晶衬底上采用HVPE设备同质外延生长β相氧化镓单晶薄膜，但其单晶制备和薄膜生长技术及设备的相关知识产权完全掌握在日本手中。
为了实现氧化镓外延材料及核心装备从0到1的突破，王钢带领团队开始研制大尺寸、高质量氧化镓半导体薄膜材料异质外延生长用MOCVD（金属有机化学气相沉积）设备，同时研发氧化镓单晶薄膜材料的大尺寸异质外延生长工艺技术。
王钢告诉记者，目前氧化镓单晶薄膜材料生长主要面临结晶质量问题。“理想的半导体材料，是由许多原子按照一定规律的周期性排布而形成。但在半导体材料的制备过程中，由于各种原因，原子排布的周期性常常会被打破，材料因此就会出现缺陷。”王钢说，他们的目标就是改进材料生长技术，努力降低材料中的缺陷密度。
大尺寸同样是王钢团队面临的挑战。因为半导体行业不仅身处科研领域，也和应用市场密切关联，对成本和价格非常敏感。对于半导体材料而言，制备的尺寸越大越具有价格优势，同样产生的缺陷也会更多。
“我们去波士顿开学术交流会议时，听到日本专家分享氧化镓的功率电子器件的原型。我认为我们同样有能力完成此事，还能走出不同的技术路径，于是我们回国之后立马着手研究，并以蓝宝石作为衬底进行异质外延尝试。”王钢说，在起初的两年时间里，他们都无法在蓝宝石衬底上长出薄膜材料。这种气闷难受的感觉一直让王钢难以忘怀，他也有过疑虑：这个研究方向是否真的能走向成功？
焦虑迷茫中，王钢团队未曾放弃。依靠长期在氮化物半导体元器件的研究经验，他们在一台用于生产第二代半导体材料的旧式MOCVD设备上进行改造，并且对半导体设备反应腔室进行独特设计。十年来，团队不断调整着工艺、参数和设计方案，在近万次的失败中总结经验。最终他们实现氧化镓单晶薄膜材料外延生长MOCVD设备的自主研制，并且他们采用自主研制的MOCVD设备在蓝宝石、碳化硅及硅等大尺寸异质衬底上生长了结晶质量高，晶向一致性好的4-8英寸的ε相氧化镓单晶薄膜。
多学科融合让“黑盒子”可视化
王钢身上激荡着理想主义的情怀。他告诉记者，他这一辈子的目标是研发出更出色的国产设备，进而长出更加优质的半导体材料。
在这项成果登上科创中国“先导技术榜”之前，网络上基本搜寻不到这项技术的任何信息。“做半导体的人应该用90%的精力去做落地的事情，我们也算是默默在做这件事。有些核心的技术甚至没有拿出去发表论文，所以在公众领域基本上没有知名度。”王钢告诉记者。
王钢和其团队自主研发的国内首台氧化镓异质外延专用多片型MOCVD量产装备
在十余年来对氧化镓材料技术的钻研中，王钢说自己又是幸运的，“针对一些非常前沿的技术，在国家尚未推出重点研发计划之前，需要不断有人去熬。其实我非常幸运，可以得到中山大学和光电材料与技术国家重点实验室探索性课题的一些资金的支持，同时仰仗产学研合作伙伴在MOCVD设备制造过程中硬件的投入，探索一些没有完全把握的事情。”王钢说。
即便自主研发的MOCVD设备已是进展喜人，但是王钢团队还在努力让氧化镓MOCVD设备拥有更优质的性能从而走向大规模应用。
一直以来，反应腔室如同黑盒子，工程师无法实时知晓里面发生的化学变化。“我们之前把自己称为手艺人，主要凭着经验，等材料长出来后发现缺陷，我们再回头查看哪些环节出现了问题。”王钢说。
这十多年来，王钢也充分发挥光电材料与技术国家重点实验室多学科融合的优势，用数字建模、数字孪生等技术实现对反应腔的可视化。记者看到，在王钢团队自主研制的MOCVD设备旁边，一台计算机正在呈现模拟反应腔内部反应过程的三维图像，每个粒子的流动轨迹都能清晰可见。
王钢团队充分发挥光电材料与技术国家重点实验室多学科融合的优势，用数字建模、数字孪生等技术实现对反应腔的可视化
“这是一个多物理量的模拟，其中不仅能展现气体的流动，还能反映温度场、压力场的情况。”王钢告诉记者，十余年来的研发形成了成熟的数据库和软件包，他们可以凭此技术实时监控反应过程，并精准地预测薄膜材料的长速和均匀性，如此可缩小开发材料的时间且提高材料的良品率。
“我们有些应用已经超越国际同行。他们没想到的应用，我们也开发出来了。”王钢对记者说道，关键核心技术一定要慢慢熬出来，此次团队去申报“科创中国”先导技术榜，并非在意外界评价。他们希望借此寻得机会将装备落地，为中国第四代半导体材料产业贡献力量。
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