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教育部重点实验室评估|探索西电宽禁带半导体“芯”天地

  中国教育在线    2018-04-28    

  中国教育在线讯 近日,教育部发布《关于2017年度信息领域教育部重点实验室评估结果的通知》。在本轮评估中,西电参评的3个教育部重点实验室均顺利通过评估,成绩优异。其中,电子装备结构设计教育部重点实验室和宽禁带半导体材料教育部重点实验室评估结果优秀,智能感知与图像理解教育部重点实验室评估结果良好。

    探索宽禁带半导体“芯”天地

    ——记宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室

  在现代世界里,没有人能和“半导体”脱离了关系。我们每天滑的手机、看的电视、用的电脑、开的灯,都有半导体器件在里面工作。从一定程度上来说,正如互联网改变了世界,半导体也影响着世界的发展。

  从19世纪上半叶发现半导体,到第一代、第二代、第三代半导体相继问世,近2个世纪以来,寻找更高性能、更稳定、更优质的半导体,一直是该领域科学家们不懈的追求。

  在中国,提到半导体特别是宽禁带半导体材料和器件研究,有一个地方必然会凝聚大家的目光。这就是西安电子科技大学宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室。

  不久前,教育部信息领域重点实验室评估结果公布,继上一个评估期获评优秀之后,她又一次把“优秀”收入囊中。以中国科学院院士郝跃教授为学术带头人,这里汇聚了一批“千人计划”“长江学者”“杰青”等国内外杰出人才,连续两年斩获国家科技进步奖,一步一步做强中国“芯”。

 

  高瞻远瞩造就先发优势 优秀成为一种习惯

  国内对宽禁带半导体的研究,差不多始于上个世纪90年代中后期。那时候,半导体材料已经经历了由硅(Si)和锗(Ge)向砷化镓(GaAs)的过渡,这显然已经是一个进步了。

  但是,不止于此,寻找更低能耗、更优性能的半导体材料的脚步,在西电,在当时的微电子研究所,在郝跃教授坚定的科研方向中踏了出去。在这个“冷门”里,郝跃和团队孤独奋战了近十年。直到2005年前后,国内宽禁带半导体产业开始发展之时,大批研究机构和高校纷纷觉醒,才开始布局相关研究。

  然而,在这十年时间里,西电的宽禁带半导体研究,已经有了深厚的积累。讨论宽禁带半导体材料理论问题及计算分析的相关论文,常见诸于国内核心学术期刊上。国内最早探讨宽禁带半导体的专著《碳化硅宽带隙半导体技术》,也在2000年问世。

  正是在2000年前后,经过4、5年的科研积累,宽禁带半导体材料的特性、相关研究的脉络和框架已经有了比较清晰的梳理。但要想把研究做大做强,成立一个专门的机构为科研提供支持就显得十分必要。加之,搭建科研大平台也一直是学校建设和发展的要事,于是,申报宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室便自然而然地提上了日程。

  2003年,国家集成电路人才培养基地落成。同年,微电子学院成立。2004年,宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室也正式挂牌。

 

  又一个十年过去,在科研成果、人才队伍、成果转化等方面,“优秀”似乎已经成为了实验室的习惯。在最近一个的评估期内,实验室交出了一份满意的答卷:2项国家科技进步奖二等奖,4项陕西省科学技术一等奖,1项国家级教学成果奖二等奖,1项陕西省教学成果奖特等奖,430余篇SCI和EI论文和近300项授权发明专利……一条拥有若干项自主关键技术、最高洁净度达百级的宽禁带半导体超净工艺研发线建成,成为学校的一张“科研名片”。

  对于宽禁带半导体实验室,获评优秀,与其说是一种“意外之喜”,更像是一份来自自身和他人的信任。“优秀是相对而言的,是在某一套评价体系中的优秀。”实验室对此达成共识,“我们相信自身的实力。我们的目标,还在于更高更远处。”

  微观世界探寻宽广天地 科技让生活更美好

  简单来说,禁带宽度对于半导体材料来说是一个非常关键的物理数据。由于半导体既能导电,又能不导电,那么,利用好这一特性,让它既能稳定导电,又能绝缘,就显得至关重要。而要想保证导电性能的稳定,就要管好一群“自由自在”的电子,让它们不要过于“欢蹦乱跳”。

  宽禁带就是这样一种存在。它就像一道“鸿沟”,让被注入了来自热量或辐射的能量而突然“兴奋”起来的电子跨不过去,只能远远地看着对岸的电子稳定地工作着。

  现有的研究资料表明,以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体材料的禁带宽度,就要比以硅(Si)和锗(Ge)为代表的第一代半导体材料的禁带宽度,多出2倍以上。因此,第三代半导体在耐高温、抗辐射、降能耗等方面比第一、二代半导体表现得出色许多。

  利用这种禁带宽的物质,把它变成材料,用于制作半导体器件,进而制成集成电路,而后把它推广出去应用到我们的生产和生活中,就是宽禁带半导体材料与器件实验室的使命所在。

 

  从微观世界回到现实生活,第三代半导体已然走入寻常百姓家。在照明领域,尽管红、绿色发光二极管在上世纪中叶已经问世,但照亮世界的白色光源,因为缺少三原色之一的蓝色而无法合成,直到上世纪80年代末才问世。这得托第三代半导体材料氮化镓(GaN)的福。没有它,就没有蓝光LED,白光LED也无从谈起。

  除此之外,在微波通讯、供电等领域,第三代半导体更是有着极大的作为空间。

  比如5G通讯。第一代半导体材料硅(Si),是现在市场上大部分手机集成电路的材料。随着手机越来越“万能”,特别是5G时代的到来,硅(Si)已然没有办法承担这么大功率运转、高带宽速度的重压了。不过这一点,氮化镓(GaN)很擅长。

  再比如轨道交通动力系统。高铁动车跑得快,全靠存在于每节车厢的电动机组合力带。一列高铁上百台电机工作同时工作,什么样的电子器件适合在高电压、大功率下还能高效率地控制电流、驱动电机呢?最理想的,非碳化硅(SiC)宽禁带半导体莫属。

  总之,第三代半导体器件就如同建筑行业的钢筋水泥一样,遍布电力电子产品充斥的社会的每一个角落。它小小的身躯,为环境友好型、资源节约型社会建设提供了巨大支持。

  科学研究瞄准重大需求 成果转化造福社会

  在2012年-2016年这一个评估期内,宽禁带半导体材料和器件实验室有2项研究成果为国家科技进步作出贡献。

  2015年,郝跃院士团队的“氮化镓基紫外与深紫外LED关键技术”获得国家科技进步奖。这项技术实现了我国在紫外与深紫外LED领域的重大突破,被评价为“达到了国际先进水平”。

  紫外线,我们都不陌生。紫外杀菌、紫外验钞等都是我们熟知的应用领域。不过,传统紫外光的产生,要靠真空灯管中电子束激发卤素来得到,体积大、效率低、能耗高,甚至对环境造成污染。

  完美解决上述问题的,是紫外与深紫外LED。制造这种器件的基础,是以氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物半导体材料。然而,要想达到紫外与深紫外LED最理想的性能,这种半导体材料的生长绝非易事。

  紫外光具有更高的光子能量和更短的波长。想让波长变短,就得增加AlGaN中的Al组分。但是,随着Al组分的增加,三个重大技术难题又随之而来:材料缺陷急剧增加、p型掺杂十分困难、折射率升高导致全反射进而降低光提取效率。

  这正是郝跃院士和团队花费十余年心血攻克的三个重要难题。随着这三大核心问题的解决,在材料生长方法、掺杂方法、高效率器件结构等方面也有了创新性突破,获得中国和美国发明专利授权22项。

  现在,1千瓦的紫外LED光源和传统的3.6千瓦紫外荧光灯照明效果一样,能耗却降低72%,寿命自然也延长不少,更重要的是,很大程度上避免了重金属污染。通过产学研合作转化,在实现7.1亿元产值的同时,50余家芯片、封装及应用企业应用了该项目的技术和产品,紫外LED器件、紫外灯管、紫外光源模组等产品已经在电子产品制造、印刷、水净化、医疗、农业等领域有所应用,为主要用户创造9.7亿元经济效益。

  2016年,杨银堂教授团队的“多层次系统芯片低功耗设计技术”获得国家科技进步奖。这一成果同样被评价为“达到了国际先进水平”。

  死机,是追求速度和高效的现代生活中令人不愉快的一种体验。造成死机的原因诸多,负载过重是“罪魁祸首”。一些性能普通的手机,常常用着用着就烫“死”了。那么,有没有可能我们的手机能分屏同时操作多个大容量应用程序而不死机,并且还非常省电呢?答案存在于我们对美好生活的向往中。这样的手机不仅需要多颗“心脏”,还要能够高效工作,最大可能降低功耗。

  多层次系统芯片低功耗设计技术,即是针对国内无线通信、雷达信号处理、卫星通信的迫切需求,旨在降低一个芯片系统整体功耗的技术。

  在一个芯片系统中,哪里会产生能耗,怎样控制各部分产生的能耗,是这项技术要解决的根本问题。杨银堂教授和团队经过十余年的努力,提出系统芯片多层次协同的设计思想,在系统层、通信层、功率层、电路层等多个层次上实现了低功耗设计,让系统芯片既能“各司其职”,又能相互配合,完美演绎“协奏曲”。

  现在,这项技术广泛适用于系统集成芯片、数模混合集成以及功率管理和功率转换系统,数字信号处理器、多模多频移动基带等芯片的功耗水平显著降低。研究成果近3年来实现直接经济效益10亿元以上。

  进入下一个十年,实验室依旧在为更低能耗、更优性能的半导体材料奋斗。建立更大的科研平台、吸引更多的优秀人才、制造更优质的半导体器件,实验室一直在努力。或许有一天,西电宽禁带半导体材料和器件实验室,会叩响未来更新半导体材料时代的大门。

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