王鋼教授團隊自主研發的“大尺寸氧化鎵單晶薄膜異質外延生長技術及核心裝備”登上“科創中國”先導技術榜

本次研究成果登上國家級榜單，背後是王鋼團隊十餘年磨一劍的堅韌。

近日，以“科技自立自強雙創驅動發展”為主題的2022“科創中國”年度會議召開。會上，中國科協釋出了2021年“科創中國”系列榜單。其中，“先導技術榜”面向生物醫藥、資源環境、電子資訊、裝備製造、先進材料、現代農林等六大領域，遴選出了100項具有廣闊應用場景、高經濟和社會效益的先導技術。

中山大學微電子學院王鋼教授領導的研發團隊耗費十多年自主研發的“大尺寸氧化鎵單晶薄膜異質外延生長技術及核心裝備

”既是廣東省高校唯一入選的專案，也是廣州地區唯一入選的專案。

王鋼團隊的這項技術將在中國乃至全球新興超寬禁帶功率半導體材料領域形成產業化突破口，極大地推動中國氧化鎵基功率電子器件的發展和產業化程序。

▲中山大學微電子學院教授王鋼

本次研究成果登上國家級榜單，背後是王鋼團隊十餘年磨一劍的堅韌。“每次推開一道門，都需要經過不斷地探索，反覆地試錯，才能找到下一道門。”王鋼對記者感嘆道。

實現並跑領跑，他們決定破題“氧化鎵”

2004年，在日本富士通量子器件公司擔任研發工程師的王鋼加入中山大學光電材料與技術國家重點實驗室，並組建了自己的團隊。在中山大學大學城校區光電材料與技術國家重點實驗室的大樓裡，王鋼團隊用18年時間將寬禁帶半導體材料和器件實驗室建設成型，寬禁帶半導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。

回國後的前8年，王鋼團隊主要聚焦支撐LED產業的氮化物半導體材料。“在氮化物領域，我們感覺長期處在跟跑狀態，所以一直在思考有哪些新的材料可實現並跑甚至領跑。”王鋼說道，最終他們把目光鎖定在超寬禁帶半導體材料上。

禁頻寬度的大小，決定了材料的導電能力。禁帶越寬，導電性越低：如金屬的禁頻寬度為零，而絕緣體的禁頻寬度則很寬。半導體在常溫下的導電效能則介於導體與絕緣體之間。

寬禁帶、超寬禁帶半導體材料的一大優點便是節能，比如LED照明應用寬禁帶半導體材料技術，其相比傳統的白熾燈照明，能效提升了數倍。氮化鎵和碳化矽是第三代半導體晶圓材料的主流選擇，其禁頻寬度大概在3。4eV（電子伏特）左右，屬於寬禁帶半導體材料。氧化鎵則是超寬禁帶半導體材料，因為其禁頻寬度大概在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”等優勢。氧化鎵可讓人們使用更少的材料製造出具有更高耐壓、更強功率處理能力的功率半導體器件，器件同時可以更薄、更輕。

功率半導體器件是逆變裝置裡的核心器件，交流電和直流電的轉換便是逆變。隨著高鐵、電動汽車以及高壓電網輸電系統的快速發展，全世界急切的需要具有更高轉換效率的高壓大功率半導體器件。氧化鎵功率半導體器件在與氮化鎵和碳化矽相同的耐壓情況下，導通電阻更低、功耗更小、更耐高溫、能夠極大地節約高壓器件工作時的電能損失。

▲因為氧化鎵的材料屬性優勢明顯，王鋼帶領團隊開始解決氧化鎵半導體材料產業化的關鍵核心問題

“僅從節能的角度來理解超寬禁帶半導體材料不夠全面，氧化鎵功率半導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的需求。氧化鎵在消費電子、5G通訊、智慧電網、軌道交通、雷達探測等領域有廣闊的應用前景，氧化鎵基器件被稱為‘迄今為止最堅固耐用的電晶體’”。王鋼告訴記者，隨著科技發展，社會的數字化、智慧化程度不斷提升，被稱為“第四代超寬禁帶半導體材料”的氧化鎵將會有更多的應用場景。

氧化鎵已經成為國際上超寬禁帶半導體領域的研究熱點，比如日本經濟產業省便計劃為致力於開發“氧化鎵”的私營企業和大學提供財政支援。目前中國在氧化鎵材料方向的研究正處於開拓階段，仍然缺乏自主生產優質氧化鎵材料的能力。

從0到1 打造半導體制備核心裝置

半導體器件和電路在半導體材料晶圓的表層形成。而晶圓製備包括襯底製備和外延工藝兩大環節。襯底是由半導體單晶材料製造而成的晶圓片。外延則是指在經過切、磨、拋等仔細加工的單晶襯底上生長一層新單晶薄膜的過程。新單晶薄膜可以與襯底為同一材料，也可以是不同材料。而第三代和第四代半導體器件幾乎都做在外延層的單晶薄膜上，這層薄膜的質量、均勻度等引數直接決定著器件的各項電學效能。

“就氧化鎵半導體器件來說，主要發揮關鍵核心電學功能是這層透明氧化鎵膜，這個膜只有幾微米級（1米的一百萬分之一）的厚度。襯體只是起支撐作用，以方便後期對這層薄膜進行加工。”王鋼告訴記者。

▲晶圓製備包括襯底製備和外延工藝兩大環節

氧化鎵這種材料在自然界根本不存在，需要人工進行合成，氧和鎵兩種元素的反應需要在接近1000攝氏度的環境下進行。

化學氣相沉積（CVD）技術是用來製備高純、高效能固體薄膜的主要技術。在典型的CVD工藝過程中，把一種或多種蒸汽源原子或分子引入腔室中，在外部能量作用下發生化學反應並在襯底表面形成需要的薄膜。所以化學氣相沉積（CVD）裝置也就成為半導體器件製造當中的核心裝置。

▲化學氣相沉積裝置是半導體器件製造當中的核心裝置

當記者走進寬禁帶半導體材料和器件實驗室，一代代大型CVD裝置映入眼簾。王鋼說，這些都是從歐洲國家購買回來的CVD裝置。當年談判之艱辛、耗費之巨大，至今王鋼記憶猶新。“2006年我們從英國買回這臺長氮化物的機器，為了打折我們談得很辛苦，但也花了我們將近1000萬人民幣。”王鋼說。

就氧化鎵材料而言，目前國際主流的技術路線是在氧化鎵單晶襯底上採用HVPE裝置同質外延生長β相氧化鎵單晶薄膜，但其單晶製備和薄膜生長技術及裝置的相關智慧財產權完全掌握在日本手中。

為了實現氧化鎵外延材料及核心裝備從0到1的突破，王鋼帶領團隊開始研製大尺寸、高質量氧化鎵半導體薄膜材料異質外延生長用MOCVD（金屬有機化學氣相沉積）裝置，同時研發氧化鎵單晶薄膜材料的大尺寸異質外延生長工藝技術。

王鋼告訴記者，目前氧化鎵單晶薄膜材料生長主要面臨結晶質量問題。“理想的半導體材料，是由許多原子按照一定規律的週期性排布而形成。但在半導體材料的製備過程中，由於各種原因，原子排布的週期性常常會被打破，材料因此就會出現缺陷。”王鋼說，他們的目標就是改進材料生長技術，努力降低材料中的缺陷密度。

大尺寸同樣是王鋼團隊面臨的挑戰。因為半導體行業不僅身處科研領域，也和應用市場密切關聯，對成本和價格非常敏感。對於半導體材料而言，製備的尺寸越大越具有價格優勢，同樣產生的缺陷也會更多。

“我們去波士頓開學術交流會議時，聽到日本專家分享氧化鎵的功率電子器件的原型。我認為我們同樣有能力完成此事，還能走出不同的技術路徑，於是我們回國之後立馬著手研究，並以藍寶石作為襯底進行異質外延嘗試。”王鋼說，在起初的兩年時間裡，他們都無法在藍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，王鋼團隊未曾放棄。依靠長期在氮化物半導體元器件的研究經驗，他們在一臺用於生產第二代半導體材料的舊式MOCVD裝置上進行改造，並且對半導體裝置反應腔室進行獨特設計。十年來，團隊不斷調整著工藝、引數和設計方案，在近萬次的失敗中總結經驗。最終他們實現氧化鎵單晶薄膜材料外延生長MOCVD裝置的自主研製，並且他們採用自主研製的MOCVD裝置在藍寶石、碳化矽及矽等大尺寸異質襯底上生長了結晶質量高，晶向一致性好的4-8英寸的ε相氧化鎵單晶薄膜。

多學科融合讓“黑盒子”視覺化

王鋼身上激盪著理想主義的情懷。他告訴記者，他這一輩子的目標是研發出更出色的國產裝置，進而長出更加優質的半導體材料。

在這項成果登上科創中國“先導技術榜”之前，網路上基本搜尋不到這項技術的任何資訊。“做半導體的人應該用90%的精力去做落地的事情，我們也算是默默在做這件事。有些核心的技術甚至沒有拿出去發表論文，所以在公眾領域基本上沒有知名度。”王鋼告訴記者。

▲王鋼和其團隊自主研發的國內首臺氧化鎵異質外延專用多片型MOCVD量產裝備

在十餘年來對氧化鎵材料技術的鑽研中，王鋼說自己又是幸運的，“針對一些非常前沿的技術，在國家尚未推出重點研發計劃之前，需要不斷有人去熬。其實我非常幸運，可以得到中山大學和光電材料與技術國家重點實驗室探索性課題的一些資金的支援，同時仰仗產學研合作伙伴在MOCVD裝置製造過程中硬體的投入，探索一些沒有完全把握的事情。”王鋼說。

即便自主研發的MOCVD裝置已是進展喜人，但是王鋼團隊還在努力讓氧化鎵MOCVD裝置擁有更優質的效能從而走向大規模應用。

一直以來，反應腔室如同黑盒子，工程師無法實時知曉裡面發生的化學變化。“我們之前把自己稱為手藝人，主要憑著經驗，等材料長出來後發現缺陷，我們再回頭檢視哪些環節出現了問題。”王鋼說。

這十多年來，王鋼也充分發揮光電材料與技術國家重點實驗室多學科融合的優勢，用數字建模、數字孿生等技術實現對反應腔的視覺化。記者看到，在王鋼團隊自主研製的MOCVD裝置旁邊，一臺計算機正在呈現模擬反應腔內部反應過程的三維影象，每個粒子的流動軌跡都能清晰可見。