半導體是指常溫下導電性能(néng)介于導體與絕緣體之間的材料。常見的半導體材料有矽、鍺等，其中，矽是在商業應用上最具有影響力的一種(zhǒng)。第三代半導體，主要包括目前即將(jiāng)成(chéng)熟應用的碳化矽（SiC）、氮化镓（GaN），也包括其他氮化物半導體、氧化物半導體和金剛石等寬禁帶及超寬禁帶半導體材料，具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點，因此也被業内譽爲固态光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等産業的“新發(fā)動機”。
2018年3月31日，深圳第三代半導體研究院成(chéng)立。2018年7月底，研究院正式投入實際的研發(fā)工作，啓動第一批研發(fā)項目。如今，在南方科技大學(xué)台州樓的深圳第三代半導體研究院，已有一個40多人的團隊，均爲國(guó)内、國(guó)際一流的人才，其中一半以上從事(shì)科學(xué)研究工作。
對(duì)第三代半導體的開(kāi)發(fā)和市場應用空間，研究院院長(cháng)趙玉海相當有信心，認爲“其發(fā)展空間巨大”。第三代半導體素有半導體“貴族”之稱，趙玉海和他的團隊成(chéng)員，如今正努力做着一件事(shì)——讓第三代半導體這(zhè)個“貴族”平民化。
市場需求推動産業發(fā)展
去年高交會期間，第三代半導體研究院與龍華區簽訂了合作框架協議，選擇落戶龍華，以深圳報業集團舊廠房改造研究實驗室用地。這(zhè)意味着未來幾年，這(zhè)個由深圳第三代半導體産業技術創新戰略聯盟牽頭，聯合南方科技大學(xué)、複旦大學(xué)、中科院等高校、科研究所、骨幹企業共建的新型民辦非盈利研發(fā)機構將(jiāng)在龍華研究新型的第三代半導體材料，并助力龍華在新能(néng)源汽車、移動通信、消費電子、光電顯示等領域提升核心競争力，促進(jìn)産業轉型發(fā)展。
在談及第三代半導體之前，趙玉海首先普及了第一代和第二代半導體的發(fā)展情況。趙玉海表示，第一代半導體是以整合矽、鍺元素等爲代表的半導體材料，其優勢是周期長(cháng)，發(fā)展成(chéng)熟，成(chéng)本低；第二代半導體材料是化合物半導體材料，屬于高頻段半導體；而第三代半導體則是以碳化矽、氮化镓等爲代表，目前處于産業發(fā)展初期。“第三代半導體的出現，并不是一種(zhǒng)替代關系，而是與前兩(liǎng)代半導體共存的關系。”趙玉海說。
業界對(duì)第三代半導體有一個形象的比喻，稱第三代半導體材料爲“半導體中的貴族”，因爲其成(chéng)本高昂。其實，早在20多年前，國(guó)際上已經(jīng)掀起(qǐ)了研究第三代半導體之風，但由于成(chéng)本高，市場發(fā)展不夠成(chéng)熟，所以一直未形成(chéng)産業規模。如今，科技創新打開(kāi)了市場需求，第三代半導體研發(fā)正當時。
“以現在發(fā)展的5G技術爲例，第一代半導體的整合矽材料已經(jīng)難以适應5G技術的發(fā)展需求，如果采用了氮化镓，優勢立刻就凸顯出來了。以氮化镓作爲主要材料生産光伏變壓器可比矽材料的變壓器提高2%-3%的轉化率，這(zhè)對(duì)大型企業而言，非常有利。”趙玉海舉例說明。
力争實現産業鏈全覆蓋
“既然說第三代半導體是‘貴族’，那麼(me)我們現在的主要任務就是讓其平民化。”趙玉海說。
深圳是個創新發(fā)展的活力之城，既有包容性，又呈現開(kāi)放性，能(néng)夠給新興産業以及配套産業提供給一個巨大的發(fā)展空間。按照原計劃，第三代半導體研究院的選址就落在南方科技大學(xué)，但因爲種(zhǒng)種(zhǒng)原因，研究院不得不考慮遷址。
趙玉海說：“首先，我們需要的場地面(miàn)積大，要20000平方米；其次，對(duì)層高要求也比較嚴苛，至少要6米以上，便于上下安裝實驗管道(dào)和空調。”機緣巧合，第三代半導體研究院與龍華“相遇”。“龍華區政府非常有誠意，相關部門積極主動與我們對(duì)接，并且給了很大的支持力度，配套産業鏈條也相當成(chéng)熟，因此我們決定把研究院放在龍華。”
有别于一心埋首做研究的團隊，對(duì)第三代半導體研究院的發(fā)展，趙玉海有明晰的計劃和發(fā)展目标。“從襯底到外延再到芯片、模組，最後(hòu)走向(xiàng)市場化應用，我們希望打通産業鏈上的所有關卡，實現全覆蓋。”趙玉海說，無論是何種(zhǒng)材料研發(fā)，都(dōu)會面(miàn)臨一個技術難題，即需要穩定的産業技術來支撐。因爲實驗室研究出來的成(chéng)果，并不代表可以立即投入到生産中。要實現産業鏈全覆蓋，而且不允許任何一個節點出現短闆，這(zhè)其中的難度可想而知。
目前，趙玉海帶領的這(zhè)個40多人的團隊已經(jīng)形成(chéng)了三支隊伍，分别從氮化镓光電、半導體芯片封裝以及襯底材料三個節點進(jìn)行研究，預期到年底，第三代半導體研究院就會推出一批科研成(chéng)果，并推動其産業轉化。“其實，我們做好(hǎo)了規劃，每年都(dōu)會出一批成(chéng)果，而且，我們有專業的孵化器，能(néng)起(qǐ)到帶動效應，讓這(zhè)些項目成(chéng)果盡快孵化。”
升級打造産業新引擎
如果說，很多人不太了解何謂光電子，那麼(me)利用光電子發(fā)展領域中的發(fā)光優勢所研發(fā)的照明技術，相信很多人都(dōu)不陌生了。“我們所熟知的LED照明就是早年利用第三代半導體材料光電子發(fā)光優勢而開(kāi)發(fā)出來的，目前應用十分普遍，技術也趨于成(chéng)熟。”趙玉海說，未來第三代半導體的研究方向(xiàng)，將(jiāng)集中在三個方面(miàn)：光電子、電力電子以及微波射頻。
光電子方向(xiàng)，第三代半導體材料可凸顯發(fā)光優勢中的亮度優勢，未來會朝Micro-Led與其他新興顯示技術方向(xiàng)發(fā)展。電路電子領域的發(fā)展空間非常巨大，跟城市發(fā)展中的電力傳輸、消費均有關系，亦可開(kāi)發(fā)新材料應用，運用在環保和工業上。“還(hái)有一個重要的發(fā)展方向(xiàng)是能(néng)源互聯網，像驅動輪船、電動汽車、空調等，都(dōu)可以利用能(néng)源互聯網進(jìn)行升級，達到産品輕量化和降低能(néng)源消耗的目的。”
面(miàn)向(xiàng)未來的5G移動通信，海量的設備連接和新的應用場景等，對(duì)超高的流量密度、連接數密度和移動性都(dōu)提出了新的要求。第三代半導體技術研發(fā)的微波射頻技術，可超越前兩(liǎng)代半導體技術的承載能(néng)力，體現出更高頻、高效、低功耗和高功率密度的優點。除了民用的5G通信技術，微波射頻同樣可用于軍用領域。“就拿雷達來說，用第三代半導體材料，可實現在目前探測距離的基礎上翻一番，讓探測更精确。”
研究院啓動之初，提出了五年内要實現國(guó)内領先、國(guó)際一流；十年内國(guó)際領先，立足深圳、覆蓋粵港澳大灣區、面(miàn)向(xiàng)全國(guó)，輻射全球的計劃。同樣以五年爲期，趙玉海說，屆時他的團隊要發(fā)展至450人。集各方智慧，打造開(kāi)放研究的平台，爲産業的快速發(fā)展提供技術支撐，這(zhè)也是設立第三代半導體研究院最重要的意義。