發(fā)展第三代半導體，不要讓基礎研究成“絆腳石”

“寬禁帶半導體就像一個小孩，還沒長好就被拉到市場上去應用。”在11月8日至9日召開的香山科學會議上，中科院院士、中科院半導體所研究員夏建白打的比方引起不少與會專家的共鳴。

夏建白所說的寬禁帶半導體又被稱為第三代半導體，氮化鎵、碳化硅、氧化鋅、金剛石等材料是其主要代表。

如果說以硅為代表的第一代半導體是集成電路的基石，第二代半導體如砷化鎵促成了信息高速公路的崛起的話，那么第三代半導體材料技術正在成為搶占下一代信息技術、節(jié)能減排及國防安全制高點的最佳途徑之一，是戰(zhàn)略性新興產業(yè)的重要組成內容。

現在的問題是，快速發(fā)展的第三代半導體相關產業(yè)，特別是深紫外發(fā)光和激光領域被基礎研究絆住了腳。

上帝的禮物還是難題?

如果你依然對第三代半導體材料感到陌生，可以抬頭看看家中無處不在的LED(發(fā)光二極管)燈。

氮化鎵基藍光LED的發(fā)明使高效白光LED照明得以實現，引起了人類照明光源的又一次革命。日本科學家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科學家中村修二也因該工作獲得了2014年諾貝爾物理學獎。

北京大學物理學院教授沈波說，氮化鎵基藍光LED的發(fā)明就像“上帝的禮物”降臨人間，然而隨著相關應用快速推向市場，人們逐漸發(fā)現，這個禮物里藏著很多難題。

難題何來?

夏建白告訴記者，第一代半導體硅經過幾十年的發(fā)展，產業(yè)發(fā)展和基礎研究齊頭并進，基礎扎實。相比之下，日本人開始研究第三代半導體時，很多人認為氮化鎵材料的缺陷太多，難以做成高效光電器件。沒想到日本竟然把藍光LED做出來了，緊跟著就是市場的快速爆發(fā)。

“市場發(fā)展非常快，基礎研究卻跟不上了。”夏建白說，這是目前第三代半導體發(fā)展面臨的困境。

中科院長春光學精密機械與物理研究所研究員劉可為把氮化鎵基藍光LED的發(fā)明比作做蛋糕。蛋糕做出來了，它的美味得到市場認可，但其中很多原理卻不太清楚，因此當市場需要更美味的蛋糕時，遇到了麻煩。

市場倒逼基礎研究加速

氮化鎵基藍光LED僅僅是一個開端，第三代半導體的確有潛力做出更大、更美味的蛋糕。

“第三代半導體材料除具有優(yōu)異的光電特性外，還具有擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強、介電常數低等優(yōu)越性能。”中科院長春光學精密機械與物理研究所研究員申德振介紹，因此它們在短波發(fā)光、激光、探測等光電子器件和高溫、高壓、高頻大功率的電子電力器件領域有廣闊應用前景。

其用武之地不勝枚舉：在節(jié)能電力電子領域，有半導體照明、智能電網、高速列車等;在信息工程領域，有可見光通訊、海量光存儲、高速計算等;在國防建設領域，有紫外探測器、微波器件等。

以發(fā)光和激光領域為例，申德振介紹，第三代半導體在高性能的紫外、深紫外發(fā)光和激光在生化探測、殺菌消毒、精密光刻、高精密激光加工等領域有重大應用價值。

“但在藍光之后，想將第三代半導體往波長更短的紫外、深紫外發(fā)光和激光方向應用時，卻發(fā)現還有很多重大的科學問題尚待解決。”劉可為說，這些重大的科學問題包括第三代半導體的P型摻雜、第三代半導體的點缺陷問題以及大尺寸、高精度的襯底制備技術等。

可以說，市場應用在倒逼基礎研究加快進度。

劉可為告訴記者，僅就藍光LED而言，目前國內產業(yè)規(guī)模巨大，核心專利和技術集中在日本和美國。但整體而言，國內外對第三代半導體的基礎研究都相對薄弱。

“我國應加大在第三代半導體紫外、深紫外發(fā)光和激光等領域的投入，解決該領域的核心科學和技術難題，爭取擁有更多具有自主知識產權的核心技術。”申德振說。(記者 劉園園)

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