夏建白所說(shuō)的寬禁帶半導(dǎo)體又被稱為第三代半導(dǎo)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(shuō)以硅為代表的第一代半導(dǎo)體是集成電路的基石，第二代半導(dǎo)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(dǎo)體材料技術(shù)正在成為搶占下一代信息技術(shù)、節(jié)能減排及國(guó)防安全制高點(diǎn)的最佳途徑之一，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成內(nèi)容。
現(xiàn)在的問(wèn)題是，快速發(fā)展的第三代半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)業(yè)，特別是深紫外發(fā)光和激光領(lǐng)域被基礎(chǔ)研究絆住了腳。
上帝的禮物還是難題?
如果你依然對(duì)第三代半導(dǎo)體材料感到陌生，可以抬頭看看家中無(wú)處不在的LED(發(fā)光二極管)燈。
氮化鎵基藍(lán)光LED的發(fā)明使高效白光LED照明得以實(shí)現(xiàn)，引起了人類照明光源的又一次革命。日本科學(xué)家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科學(xué)家中村修二也因該工作獲得了2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
北京大學(xué)物理學(xué)院教授沈波說(shuō)，氮化鎵基藍(lán)光LED的發(fā)明就像“上帝的禮物”降臨人間，然而隨著相關(guān)應(yīng)用快速推向市場(chǎng)，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，這個(gè)禮物里藏著很多難題。
難題何來(lái)?
夏建白告訴記者，第一代半導(dǎo)體硅經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)發(fā)展和基礎(chǔ)研究齊頭并進(jìn)，基礎(chǔ)扎實(shí)。相比之下，日本人開(kāi)始研究第三代半導(dǎo)體時(shí)，很多人認(rèn)為氮化鎵材料的缺陷太多，難以做成高效光電器件。沒(méi)想到日本竟然把藍(lán)光LED做出來(lái)了，緊跟著就是市場(chǎng)的快速爆發(fā)。
“市場(chǎng)發(fā)展非常快，基礎(chǔ)研究卻跟不上了。”夏建白說(shuō)，這是目前第三代半導(dǎo)體發(fā)展面臨的困境。
中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研究員劉可為把氮化鎵基藍(lán)光LED的發(fā)明比作做蛋糕。蛋糕做出來(lái)了，它的美味得到市場(chǎng)認(rèn)可，但其中很多原理卻不太清楚，因此當(dāng)市場(chǎng)需要更美味的蛋糕時(shí)，遇到了麻煩。
市場(chǎng)倒逼基礎(chǔ)研究加速
氮化鎵基藍(lán)光LED僅僅是一個(gè)開(kāi)端，第三代半導(dǎo)體的確有潛力做出更大、更美味的蛋糕。
“第三代半導(dǎo)體材料除具有優(yōu)異的光電特性外，還具有擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)、介電常數(shù)低等優(yōu)越性能。”中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研究員申德振介紹，因此它們?cè)诙滩òl(fā)光、激光、探測(cè)等光電子器件和高溫、高壓、高頻大功率的電子電力器件領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。
其用武之地不勝枚舉：在節(jié)能電力電子領(lǐng)域，有半導(dǎo)體照明、智能電網(wǎng)、高速列車等;在信息工程領(lǐng)域，有可見(jiàn)光通訊、海量光存儲(chǔ)、高速計(jì)算等;在國(guó)防建設(shè)領(lǐng)域，有紫外探測(cè)器、微波器件等。
以發(fā)光和激光領(lǐng)域?yàn)槔甑抡窠榻B，第三代半導(dǎo)體在高性能的紫外、深紫外發(fā)光和激光在生化探測(cè)、殺菌消毒、精密光刻、高精密激光加工等領(lǐng)域有重大應(yīng)用價(jià)值。
“但在藍(lán)光之后，想將第三代半導(dǎo)體往波長(zhǎng)更短的紫外、深紫外發(fā)光和激光方向應(yīng)用時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)還有很多重大的科學(xué)問(wèn)題尚待解決。”劉可為說(shuō)，這些重大的科學(xué)問(wèn)題包括第三代半導(dǎo)體的P型摻雜、第三代半導(dǎo)體的點(diǎn)缺陷問(wèn)題以及大尺寸、高精度的襯底制備技術(shù)等。
可以說(shuō)，市場(chǎng)應(yīng)用在倒逼基礎(chǔ)研究加快進(jìn)度。
劉可為告訴記者，僅就藍(lán)光LED而言，目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)規(guī)模巨大，核心專利和技術(shù)集中在日本和美國(guó)。但整體而言，國(guó)內(nèi)外對(duì)第三代半導(dǎo)體的基礎(chǔ)研究都相對(duì)薄弱。
“我國(guó)應(yīng)加大在第三代半導(dǎo)體紫外、深紫外發(fā)光和激光等領(lǐng)域的投入，解決該領(lǐng)域的核心科學(xué)和技術(shù)難題，爭(zhēng)取擁有更多具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。”申德振說(shuō)。
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