本次研究成果登上國(guó)家級(jí)榜單，背后是王鋼團(tuán)隊(duì)十余年磨一劍的堅(jiān)韌。

近日，以“科技自立自強(qiáng) 雙創(chuàng)驅(qū)動(dòng)發(fā)展”為主題的2022“科創(chuàng)中國(guó)”年度會(huì)議召開。會(huì)上，中國(guó)科協(xié)發(fā)布了2021年“科創(chuàng)中國(guó)”系列榜單。其中，“先導(dǎo)技術(shù)榜”面向生物醫(yī)藥、資源環(huán)境、電子信息、裝備制造、先進(jìn)材料、現(xiàn)代農(nóng)林等六大領(lǐng)域，遴選出了100項(xiàng)具有廣闊應(yīng)用場(chǎng)景、高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的先導(dǎo)技術(shù)。
 

王鋼在團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)氧化鎵異質(zhì)外延專用多片型MOCVD量產(chǎn)裝備前。趙楠攝
 

中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院（微電子學(xué)院）教授王鋼領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)十多年自主研發(fā)的“大尺寸氧化鎵單晶薄膜異質(zhì)外延生長(zhǎng)技術(shù)及核心裝備”既是廣東省高校唯一入選的項(xiàng)目，也是廣州地區(qū)唯一入選的項(xiàng)目。王鋼團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)技術(shù)將在中國(guó)乃至全球新興超寬禁帶功率半導(dǎo)體材料領(lǐng)域形成產(chǎn)業(yè)化突破口，極大地推動(dòng)中國(guó)氧化鎵基功率電子器件的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

 

本次研究成果登上國(guó)家級(jí)榜單，背后是王鋼團(tuán)隊(duì)十余年磨一劍的堅(jiān)韌。“每次推開一道門，都需要經(jīng)過(guò)不斷地探索，反復(fù)地試錯(cuò)，才能找到下一道門。”王鋼對(duì)記者感嘆道。

 

 

2004年，在日本一家公司擔(dān)任研發(fā)工程師的王鋼加入中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，并組建了自己的團(tuán)隊(duì)。在中山大學(xué)大學(xué)城校區(qū)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大樓里，王鋼團(tuán)隊(duì)用18年時(shí)間將寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成型，寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件也成為這家國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的重要研究方向之一。

 

回國(guó)后的前8年，王鋼團(tuán)隊(duì)主要聚焦支撐LED產(chǎn)業(yè)的氮化物半導(dǎo)體材料。“在氮化物領(lǐng)域，我們感覺(jué)長(zhǎng)期處在跟跑狀態(tài)，所以一直在思考有哪些新的材料可實(shí)現(xiàn)并跑甚至領(lǐng)跑。”王鋼說(shuō)道，最終他們把目光鎖定在超寬禁帶半導(dǎo)體材料上。

 

氮化鎵和碳化硅是第三代半導(dǎo)體晶圓材料的主流選擇，其禁帶寬度大概在3.4eV（電子伏特）左右，屬于寬禁帶半導(dǎo)體材料。氧化鎵則是超寬禁帶半導(dǎo)體材料，因?yàn)槠浣麕挾却蟾旁?eV。

 

特殊的屬性讓氧化鎵有著“擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度更強(qiáng)”“功率損耗更低”等優(yōu)勢(shì)。氧化鎵可讓人們使用更少的材料制造出具有更高耐壓、更強(qiáng)功率處理能力的功率半導(dǎo)體器件，器件同時(shí)可以更薄、更輕。

 

功率半導(dǎo)體器件是逆變裝置里的核心器件，交流電和直流電的轉(zhuǎn)換便是逆變。隨著高鐵、電動(dòng)汽車以及高壓電網(wǎng)輸電系統(tǒng)的快速發(fā)展，全世界急切地需要具有更高轉(zhuǎn)換效率的高壓大功率半導(dǎo)體器件。氧化鎵功率半導(dǎo)體器件在與氮化鎵和碳化硅相同的耐壓情況下，導(dǎo)通電阻更低、功耗更小、更耐高溫、能夠極大地節(jié)約高壓器件工作時(shí)的電能損失。

 

“僅從節(jié)能的角度來(lái)理解超寬禁帶半導(dǎo)體材料不夠全面，氧化鎵功率半導(dǎo)體器件允許在更高的溫度下操作，從而減少對(duì)龐大的冷卻器件系統(tǒng)的需求。氧化鎵在消費(fèi)電子、5G通信、智能電網(wǎng)、軌道交通、雷達(dá)探測(cè)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，氧化鎵基器件被稱為‘迄今為止最堅(jiān)固耐用的晶體管’”。王鋼告訴記者，隨著科技發(fā)展，社會(huì)的數(shù)字化、智能化程度不斷提升，被稱為“第四代超寬禁帶半導(dǎo)體材料”的氧化鎵將會(huì)有更多的應(yīng)用場(chǎng)景。

王鋼帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)解決氧化鎵半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵核心問(wèn)題。
 

 

當(dāng)記者走進(jìn)寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件實(shí)驗(yàn)室，一代代大型CVD設(shè)備映入眼簾。王鋼說(shuō)，這些都是從國(guó)外購(gòu)買回來(lái)的CVD設(shè)備。“2006年我們從英國(guó)買回這臺(tái)長(zhǎng)氮化物的機(jī)器，為了打折我們談得很辛苦，但也花了我們將近1000萬(wàn)元人民幣。”王鋼說(shuō)。

 

為了實(shí)現(xiàn)氧化鎵外延材料及核心裝備從0到1的突破，王鋼帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開始研制大尺寸、高質(zhì)量氧化鎵半導(dǎo)體薄膜材料異質(zhì)外延生長(zhǎng)用MOCVD（金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積）設(shè)備，同時(shí)研發(fā)氧化鎵單晶薄膜材料的大尺寸異質(zhì)外延生長(zhǎng)工藝技術(shù)。

 

“我們?nèi)ラ_學(xué)術(shù)交流會(huì)議時(shí)，聽到日本專家分享氧化鎵的功率電子器件的原型。我認(rèn)為我們同樣有能力完成此事，還能走出不同的技術(shù)路徑，于是我們回國(guó)之后立馬著手研究，并以藍(lán)寶石作為襯底進(jìn)行異質(zhì)外延嘗試。”王鋼說(shuō)，在起初的兩年時(shí)間里，他們都無(wú)法在藍(lán)寶石襯底上長(zhǎng)出薄膜材料。這種氣悶難受的感覺(jué)一直讓王鋼難以忘懷，他也有過(guò)疑慮：這個(gè)研究方向是否真的能走向成功？

 

焦慮迷茫中，王鋼團(tuán)隊(duì)未曾放棄。依靠長(zhǎng)期在氮化物半導(dǎo)體元器件的研究經(jīng)驗(yàn)，他們?cè)谝慌_(tái)用于生產(chǎn)第二代半導(dǎo)體材料的舊式MOCVD設(shè)備上進(jìn)行改造，并且對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備反應(yīng)腔室進(jìn)行獨(dú)特設(shè)計(jì)。十年來(lái)，團(tuán)隊(duì)不斷調(diào)整著工藝、參數(shù)和設(shè)計(jì)方案，在近萬(wàn)次的失敗中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。最終他們實(shí)現(xiàn)氧化鎵單晶薄膜材料外延生長(zhǎng)MOCVD設(shè)備的自主研制，并且他們采用自主研制的MOCVD設(shè)備在藍(lán)寶石、碳化硅及硅等大尺寸異質(zhì)襯底上生長(zhǎng)了結(jié)晶質(zhì)量高，晶向一致性好的4-8英寸的ε相氧化鎵單晶薄膜。

中山大學(xué)-四英寸氧化鎵外延片

 

王鋼身上激蕩著理想主義的情懷。他告訴記者，他這一輩子的目標(biāo)是研發(fā)出更出色的國(guó)產(chǎn)設(shè)備，進(jìn)而長(zhǎng)出更加優(yōu)質(zhì)的半導(dǎo)體材料。

 

在這項(xiàng)成果登上科創(chuàng)中國(guó)“先導(dǎo)技術(shù)榜”之前，網(wǎng)絡(luò)上基本搜尋不到這項(xiàng)技術(shù)的任何信息。“做半導(dǎo)體的人應(yīng)該用90%的精力去做落地的事情，我們也算是默默在做這件事情。”王鋼告訴記者。

 

在十余年來(lái)對(duì)氧化鎵材料技術(shù)的鉆研中，王鋼說(shuō)自己又是幸運(yùn)的，“針對(duì)一些非常前沿的技術(shù)，在國(guó)家尚未推出重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃之前，需要不斷有人去熬。我非常幸運(yùn)，可以得到中山大學(xué)和光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室探索性課題的一些資金的支持，同時(shí)仰仗產(chǎn)學(xué)研合作伙伴在MOCVD設(shè)備制造過(guò)程中硬件的投入，探索一些沒(méi)有完全把握的事情。”王鋼說(shuō)。

 

即便自主研發(fā)的MOCVD設(shè)備已是進(jìn)展喜人，但是王鋼團(tuán)隊(duì)還在努力讓氧化鎵MOCVD設(shè)備擁有更優(yōu)質(zhì)的性能從而走向大規(guī)模應(yīng)用。

 

一直以來(lái)，反應(yīng)腔室如同黑盒子，工程師無(wú)法實(shí)時(shí)知曉里面發(fā)生的化學(xué)變化。“我們之前把自己稱為手藝人，主要憑著經(jīng)驗(yàn)，等材料長(zhǎng)出來(lái)后發(fā)現(xiàn)缺陷，我們?cè)倩仡^查看哪些環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問(wèn)題。”王鋼說(shuō)。

 

這十多年來(lái)，王鋼也充分發(fā)揮光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室多學(xué)科融合的優(yōu)勢(shì)，用數(shù)字建模、數(shù)字孿生等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)腔的可視化。記者看到，在王鋼團(tuán)隊(duì)自主研制的MOCVD設(shè)備旁邊，一臺(tái)計(jì)算機(jī)正在呈現(xiàn)模擬反應(yīng)腔內(nèi)部反應(yīng)過(guò)程的三維圖像，每個(gè)粒子的流動(dòng)軌跡都能清晰可見。

 

“這是一個(gè)多物理量的模擬，其中不僅能展現(xiàn)氣體的流動(dòng)，還能反映溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的情況。”王鋼告訴記者。

 

“我們有些應(yīng)用已經(jīng)超越國(guó)際同行。他們沒(méi)想到的應(yīng)用，我們也開發(fā)出來(lái)了。”王鋼對(duì)記者說(shuō)道，關(guān)鍵核心技術(shù)一定慢慢熬出來(lái)，此次團(tuán)隊(duì)去申報(bào)“科創(chuàng)中國(guó)”先導(dǎo)技術(shù)榜，并非在意外界評(píng)價(jià)。他們希望借此尋得機(jī)會(huì)將裝備落地，為中國(guó)第四代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)力量。文/廣州日?qǐng)?bào)全媒體