——走進(jìn)北京市第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心

 

　　“走進(jìn)實驗室”開欄語

 

　　你知道你家的房子健不健康嗎？你知道有哪些奇花異草將被培育出來嗎？你知道機(jī)器人在天上能發(fā)揮什么作用嗎？……如果談及“科技改變生活”，你的第一印象還停留在訂餐外賣、移動支付，那么，我們就要敲敲小黑板了——請注意，一些你不太明白的技術(shù)，正在改變著生活，而這些技術(shù)，就是從實驗室里誕生的。

 

　　現(xiàn)代科技的突飛猛進(jìn)，為社會生產(chǎn)力發(fā)展和人類的文明開辟了更為廣闊的空間，有力地帶動了整個國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。而實驗室是一個神奇的地方，在這里，你可以預(yù)知未來的樣子。正因如此，記者走進(jìn)了若干個以面向國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場為己任的特色實驗室，帶大家一起變身“預(yù)言家”。

 

　　“第三代半導(dǎo)體材料？是收音機(jī)嗎？”提到半導(dǎo)體或第三代半導(dǎo)體材料，這是大多數(shù)人的第一反應(yīng)。

 

　　穿上隔離服，戴上頭套、口罩，《中國科學(xué)報》記者走進(jìn)北京市第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心（以下簡稱工程中心）的實驗室，看一看第三代半導(dǎo)體材料到底是什么？

 

　　第三代，厲害了！

 

　　所有進(jìn)入實驗室的人都要先通過風(fēng)淋室，待身上附著的灰塵都被吹凈后，實驗室的大門才能被打開。

 

　　大門打開后，一張LED材料研究流程圖映入眼簾。按照這個流程，就可以用氮化鎵把第三代半導(dǎo)體材料生產(chǎn)出來，并“變”成可用于道路、家庭、電視、投影儀的LED器件。

　　實驗室里掛著的LED材料研究流程圖（倪思潔攝）

 

　　氮化鎵，是半導(dǎo)體材料被列入“第三代”的一個標(biāo)志。在我國半導(dǎo)體行業(yè)里，人們約定俗成地把半導(dǎo)體材料分成了三代。第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等元素半導(dǎo)體為代表。“它可以用在半導(dǎo)體照明、新一代移動通信、能源互聯(lián)網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等諸多領(lǐng)域。”工程中心主任王軍喜說。

 

　　2014年，工程中心由北京市科委支持，在中科院半導(dǎo)體照明研發(fā)中心的基礎(chǔ)上正式組建，目的是解決第三代半導(dǎo)體行業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)，建立基于自主知識產(chǎn)權(quán)的氮化鎵光電器件和功率器件技術(shù)平臺和示范，形成第三代半導(dǎo)體技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)人才的培養(yǎng)基地。

 

　　新材料，變身！

 

　　實驗室里，和記者一樣“全副武裝”的科研人員來來回回地操縱著儀器，時不時會相互交流討論一下技術(shù)操作事宜。

 

　　在基礎(chǔ)材料技術(shù)研究部，一位年輕的科研人員正拿著紅色和黑色的電極，測試著剛做出來的直徑兩英寸大小的圓形膜材料。這個圓形材料是藍(lán)寶石基氮化鎵LED結(jié)構(gòu)材料，即以藍(lán)寶石作為襯底，上面鋪了幾十層氮化物制成的。

 

　　材料的直徑上均勻地分布著7個小點，科研人員把紅色電極固定在直徑的一端，黑色電極沿著直徑觸碰材料上的“點”，發(fā)出藍(lán)色或是綠色的光。亮了，就可以初步判斷材料的性能是好的。

　　實驗人員正在測試膜材料性能（倪思潔攝）

　　被測試的膜材料（倪思潔攝）

 

　　接著，記者跟著材料一起來到了芯片室。在這里，材料會被送進(jìn)一臺被稱為“金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積”（MOCVD）的設(shè)備，變成“LED外延片”。

 

　　MOCVD是加工制備半導(dǎo)體材料、薄膜的重要儀器。“目前，工程中心已經(jīng)可以基本實現(xiàn)MOCVD關(guān)鍵裝備的國產(chǎn)化。”工程中心副主任伊?xí)匝嘟榻B。

 

　　經(jīng)歷了臺面刻蝕、氧化硅保護(hù)、減薄拋光、反射鏡制備等環(huán)節(jié)的“歷練”，我們剛剛看到的膜材料就變成了儀器附近一個藍(lán)色的托盤里的LED外延片。

　　經(jīng)過一系列工藝，膜材料變身成很有金屬氣質(zhì)的LED外延片（倪思潔攝）

 

　　這些LED外延片看起來像金屬片一般，也是直徑2英寸的圓板。外延片上密布著1000多個1平方毫米大小的芯片。每一個芯片的性能都可以從一臺電腦上直觀地顯示出來。如果芯片再小一些，這種兩英寸的LED外延片，最多可以制備出4萬多顆小芯片。

 

　　接著，經(jīng)過激光劃片、擴(kuò)膜等處理，LED外延片就薄得幾乎沒了厚度，上面的小芯片也相互獨立開來。“每個1平方毫米的小芯片都可以制成一個1瓦的燈泡，亮度相當(dāng)于10瓦的白熾燈。”伊?xí)匝嗾f。

　　外延片“瘦身”后變得薄薄的，一顆顆小芯片也被切開（倪思潔攝）

 

　　發(fā)光吧，半導(dǎo)體！

 

　　最后一步，應(yīng)用。實驗人員會通過膠體把小芯片粘結(jié)在支架的指定區(qū)域，形成熱通路或電通路，再鋪上熒光粉和第二層膠，把小芯片們封裝成為成品。這些成品，就是制造LED燈或顯示屏等醫(yī)用產(chǎn)品的關(guān)鍵元器件。這些元器件正走向醫(yī)療、通訊、農(nóng)業(yè)等民生相關(guān)領(lǐng)域。

　　成品（倪思潔攝）

 

　　在北京，工程中心以快繁組培植物工廠所生產(chǎn)的非洲紫羅蘭、槲蕨等材料為光照對象，設(shè)計了10種燈具，使3家試用的種苗公司節(jié)能70%，增產(chǎn)20%。在東北，工程中心設(shè)計了大田作物補光燈具，彌補了東北作物光照不足的問題，并在東北農(nóng)業(yè)種植戶那里得到應(yīng)用。

　　最終變成了燈，可以用來給蔬菜補光，據(jù)說不同的蔬菜對光的顏色還會有不同的“口味”偏好（倪思潔攝）

 

　　王軍喜介紹，目前工程中心的研究重點在深紫外固態(tài)光源技術(shù)、超高能效技術(shù)、電力應(yīng)用技術(shù)、智能光源技術(shù)領(lǐng)域。

 

　　“深紫外光，人眼是看不見的，但是可以用于殺菌消毒，未來可以應(yīng)用在污水處理、食品加工、醫(yī)院等行業(yè)。”王軍喜說，據(jù)估算，這一技術(shù)未來的市場價值可以達(dá)到千億元級別。

 

　　不僅如此，未來，第三代半導(dǎo)體材料或許還會帶給我們更大的驚喜。如果有一天，你發(fā)現(xiàn)車燈變成了傳遞信號的通訊工具，行駛中遇到突發(fā)情況不再需要鳴笛時，不必困惑，那很可能就是第三代半導(dǎo)體材料的智慧。（完）