本次研究成果登上國家級榜單，背后是王鋼團(tuán)隊十余年磨一劍的堅韌。

近日，以“科技自立自強 雙創(chuàng)驅(qū)動發(fā)展”為主題的2022“科創(chuàng)中國”年度會議召開。會上，中國科協(xié)發(fā)布了2021年“科創(chuàng)中國”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項具有廣闊應(yīng)用場景、高經(jīng)濟(jì)和社會效益的先導(dǎo)技術(shù)。
 

王鋼在團(tuán)隊自主研發(fā)的國內(nèi)首臺氧化鎵異質(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)外延生長技術(shù)及核心裝備”既是廣東省高校唯一入選的項目，也是廣州地區(qū)唯一入選的項目。王鋼團(tuán)隊的這項技術(shù)將在中國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，極大地推動中國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家級榜單，背后是王鋼團(tuán)隊十余年磨一劍的堅韌。“每次推開一道門，都需要經(jīng)過不斷地探索，反復(fù)地試錯，才能找到下一道門。”王鋼對記者感嘆道。

 

 

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)國家重點實驗室，并組建了自己的團(tuán)隊。在中山大學(xué)大學(xué)城校區(qū)光電材料與技術(shù)國家重點實驗室的大樓里，王鋼團(tuán)隊用18年時間將寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件實驗室建設(shè)成型，寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件也成為這家國家重點實驗室的重要研究方向之一。

 

回國后的前8年，王鋼團(tuán)隊主要聚焦支撐LED產(chǎn)業(yè)的氮化物半導(dǎo)體材料。“在氮化物領(lǐng)域，我們感覺長期處在跟跑狀態(tài)，所以一直在思考有哪些新的材料可實現(xiàn)并跑甚至領(lǐng)跑。”王鋼說道，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，因為其禁帶寬度大概在5eV。

 

特殊的屬性讓氧化鎵有著“擊穿電場強度更強”“功率損耗更低”等優(yōu)勢。氧化鎵可讓人們使用更少的材料制造出具有更高耐壓、更強功率處理能力的功率半導(dǎo)體器件，器件同時可以更薄、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)約高壓器件工作時的電能損失。

 

“僅從節(jié)能的角度來理解超寬禁帶半導(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，從而減少對龐大的冷卻器件系統(tǒng)的需求。氧化鎵在消費電子、5G通信、智能電網(wǎng)、軌道交通、雷達(dá)探測等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，氧化鎵基器件被稱為‘迄今為止最堅固耐用的晶體管’”。王鋼告訴記者，隨著科技發(fā)展，社會的數(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”的氧化鎵將會有更多的應(yīng)用場景。

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

 

當(dāng)記者走進(jìn)寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件實驗室，一代代大型CVD設(shè)備映入眼簾。王鋼說，這些都是從國外購買回來的CVD設(shè)備。“2006年我們從英國買回這臺長氮化物的機(jī)器，為了打折我們談得很辛苦，但也花了我們將近1000萬元人民幣。”王鋼說。

 

為了實現(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)外延生長用MOCVD（金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積）設(shè)備，同時研發(fā)氧化鎵單晶薄膜材料的大尺寸異質(zhì)外延生長工藝技術(shù)。

 

“我們?nèi)ラ_學(xué)術(shù)交流會議時，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，在起初的兩年時間里，他們都無法在藍(lán)寶石襯底上長出薄膜材料。這種氣悶難受的感覺一直讓王鋼難以忘懷，他也有過疑慮：這個研究方向是否真的能走向成功？

 

焦慮迷茫中，王鋼團(tuán)隊未曾放棄。依靠長期在氮化物半導(dǎo)體元器件的研究經(jīng)驗，他們在一臺用于生產(chǎn)第二代半導(dǎo)體材料的舊式MOCVD設(shè)備上進(jìn)行改造，并且對半導(dǎo)體設(shè)備反應(yīng)腔室進(jìn)行獨特設(shè)計。十年來，團(tuán)隊不斷調(diào)整著工藝、參數(shù)和設(shè)計方案，在近萬次的失敗中總結(jié)經(jīng)驗。最終他們實現(xiàn)氧化鎵單晶薄膜材料外延生長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)出更出色的國產(chǎn)設(shè)備，進(jìn)而長出更加優(yōu)質(zhì)的半導(dǎo)體材料。

 

在這項成果登上科創(chuàng)中國“先導(dǎo)技術(shù)榜”之前，網(wǎng)絡(luò)上基本搜尋不到這項技術(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。

 

在十余年來對氧化鎵材料技術(shù)的鉆研中，王鋼說自己又是幸運的，“針對一些非常前沿的技術(shù)，在國家尚未推出重點研發(fā)計劃之前，需要不斷有人去熬。我非常幸運，可以得到中山大學(xué)和光電材料與技術(shù)國家重點實驗室探索性課題的一些資金的支持，同時仰仗產(chǎn)學(xué)研合作伙伴在MOCVD設(shè)備制造過程中硬件的投入，探索一些沒有完全把握的事情。”王鋼說。

 

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，反應(yīng)腔室如同黑盒子，工程師無法實時知曉里面發(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，等材料長出來后發(fā)現(xiàn)缺陷，我們再回頭查看哪些環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題。”王鋼說。

 

這十多年來，王鋼也充分發(fā)揮光電材料與技術(shù)國家重點實驗室多學(xué)科融合的優(yōu)勢，用數(shù)字建模、數(shù)字孿生等技術(shù)實現(xiàn)對反應(yīng)腔的可視化。記者看到，在王鋼團(tuán)隊自主研制的MOCVD設(shè)備旁邊，一臺計算機(jī)正在呈現(xiàn)模擬反應(yīng)腔內(nèi)部反應(yīng)過程的三維圖像，每個粒子的流動軌跡都能清晰可見。

 

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

 

“我們有些應(yīng)用已經(jīng)超越國際同行。他們沒想到的應(yīng)用，我們也開發(fā)出來了。”王鋼對記者說道，關(guān)鍵核心技術(shù)一定慢慢熬出來，此次團(tuán)隊去申報“科創(chuàng)中國”先導(dǎo)技術(shù)榜，并非在意外界評價。他們希望借此尋得機(jī)會將裝備落地，為中國第四代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)力量。文/廣州日報全媒體