鎵族科技：超寬禁帶材料先行者

劉超

半導體對20世紀人類的影響令人驚嘆。半導體與原子能、激光器和電子計算機一起，被譽為20世紀的“新四大發明”，而半導體的發展又決定著電子計算機和激光器的發展進程。試想一下，如果沒有半導體，我們的生活會不會變得單調？越來越多的“手機控”“低頭族”們如果沒有了手機和平板電腦等移動通訊或媒體設備，他們會不會痛不欲生？

時至今日，半導體材料已經經歷了第1代的硅、鍺，第2代的砷化鎵、磷化銦，而當下最有發展前途的第3代半導體材料——碳化硅和氮化鎵，由于其禁帶寬度遠大于前2代，因而被稱為“寬禁帶半導體材料”。幾乎每一代新材料的出現都會給相關產業帶來一次“革命性”的巨變。那么，寬禁帶半導體再發展之后，會不會出現禁帶寬度更寬的半導體？

北京鎵族科技有限公司（以下簡稱“鎵族科技”）剛剛成立一年多的時間，在半導體行業內幾乎還沒有人知曉，但他們的產品卻能成為時下半導體材料中的翹楚——氧化鎵，一種比目前氮化硅和氮化鎵禁帶寬度更寬的“超寬禁帶”半導體材料，與金剛石等一起被稱為是“第4代半導體”材料。相對于許多人還停留在一提到半導體就想到了硅一樣，氧化鎵半導體對大多數人來說則更顯得神秘和“高冷”。

為此，我們走近鎵族科技，請公司董事長、北京郵電大學教授、博士生導師——唐為華講述氧化鎵半導體材料的“高冷”范兒因何而來？同時，也讓我們深入了解鎵族科技——這個剛滿“周歲”的初創企業。

北京鎵族科技有限公司是國內首家、國際第2家專業從事超寬禁帶半導體——氧化鎵材料及其相關器件研發的創新型高科技企業。在習總書記十九大報告“迎接新時代，踏上新征程”的感召下，憑借國際領先的氧化鎵研究方面的技術優勢和高層次人才團隊，由北京首都科技發展集團有限公司和北京順義科技創新集團有限公司注資成立，開啟寬禁帶半導體氧化鎵產業化開發新征程。主要產品為氧化鎵單晶襯底、外延薄膜襯底、氧化鎵基日盲紫外光電器件、高功率電力電子器件和高頻大功率通信器件等。肩負掌握自主核心知識產權，打破國外在超寬禁帶半導體關鍵材料和核心芯片領域技術封鎖的國“鎵”使命。銘記初心，遵循一代材料、一代器件，一代產業的發展規律，助力中國制造的強國戰略，創造社會和經濟價值。

“卡”不住的半導體材料——氧化鎵

禁帶寬度和擊穿場強是半導體的2個重要參數，決定著半導體的應用領域。氧化鎵的禁帶寬度達到了4.8～5.3eV，遠高于碳化硅和氮化鎵的3.3～3.5 eV；另外，氧化鎵的擊穿場強8MV/cm，是氮化鎵（3.3MV/cm）和碳化硅（2.5MV/cm）的2～3倍。這就決定了氧化鎵具有比后者更高的熱穩定性和化學穩定性，抗輻照能力更強能夠，承受的工作電壓更高。因此，氧化鎵材料適用于未來制造高頻、大功率、深紫外和高密度集成的半導體器件。氧化鎵的禁帶寬度正對應日盲紫外區（波長200～300nm），因此氧化鎵是天然的日盲區探測材料。另外，氧化鎵極高的擊穿場強是制備大功率器件不可替代的優選材料。因此，寬禁帶氧化鎵半導體技術將是支撐通信、軌道交通、新能源汽車等產業發展的核心關鍵技術。據專家測算，碳化硅功率器件比硅器件要節能80%，而氧化鎵功率器件又比碳化硅器件節能80%左右。因此氧化鎵半導體器件在高功率、低功耗器件方面具有非常廣闊的應用前景。

隨著高質量2英寸氧化鎵單晶的成功制備以來，氧化鎵材料受到各國科研人員的高度關注。其中“氧化鎵及相關材料專題國際研討會”于 2015年和2017年分別在日本和意大利召開。美國空軍研究實驗室傳感器件部于2017年發表“氧化鎵技術評估報告”。2018年1月份美國物理學會發表嘉賓社論“氧化鎵——微電子及其器件的曙光”。國內，2017年南京大學半導體材料與器件專家鄭有炓院士在全國第二屆寬禁帶半導體會議上指出“氧化鎵是寬禁帶半導體未來的4大發展方向之一”。同時氧化鎵材料已被寫入國家重點研發計劃和國家自然科學基金的申請指南中。北京市科學技術委員會也將“3英寸氧化鎵單晶襯底及外延工藝研究”列為前沿新材料專項招標課題，氧化鎵材料已然形成研究熱點。唐為華教授說“氧化鎵開啟了寬禁帶半導體的新篇章”。

前不久，《科技日報》報道了我國35項“卡脖子”的技術和60多項尚未掌控的核心技術，其中就有半導體材料的制備技術。更重要的是，涉及到高端半導體材料和設備，美國、日本等一直對我國采取禁運措施，這也是我國在半導體材料和器件長期落后于世界先進水平的主要原因。從現實看，我國在前2代半導體的發展步伐確實遠遠落后于國外，而以碳化硅和氮化鎵為代表的第3代半導體雖然已經縮小了與國外先進技術的差距，但想要追趕上實現并跑，仍需時日。

唐為華教授分析：“國內在第3代半導體材料上一直落后于歐美，在追趕歐美的時候還要受到很多外部的限制，比如器件制備工藝和生產設備。短期內難以取得實質性的領先優勢。但氧化鎵就不一樣了，目前全球幾乎都處在一個起跑線上，鎵族科技的部分技術甚至要領先于歐、美、日，這就意味著我國不會繼續被國外所制約。當然，這個產業化的進程不可能是一帆風順的，肯定會有很多技術難點需要突破，既然都在一個賽道上，我們有信心能解決遇到的困難”。

2017年年底，鎵族科技在北京成立，由首都科技發展集團和順義科創集團旗下的三新基金注資，是我國第1家、全球第2家專注于氧化鎵半導體材料與器件的商業化公司。作為鎵族科技的董事長和技術總負責人，唐為華教授介紹說，“我們的研究團隊從2011年開始將目光對準了氧化鎵半導體材料，而這個時期正好也是國際上對氧化鎵半導體研究的起步階段。這些年我們潛心研究，專注氧化鎵這一件事，取得了國際公認的科研成果。正是基于深厚的基礎科研積累，氧化鎵產業化開發才有了厚實的基礎”。我們期待唐為華教授領導的研究團隊在寬禁帶半導體氧化鎵研究方面實現“頂天立地”，從基礎學術研究，到產業開發，到技術應用。通過唐為華教授的介紹可知，就超寬禁帶半導體氧化鎵材料的產業化進程而言，我國基本已經與國外同步。國內半導體材料有望擺脫“被卡”的命運指日可待。

落地順義 成績突出

截至本文完稿已然是2018年底，距離2019年的元旦只有不到一周時間。從鎵族科技成立算起，這個剛剛過完“1周歲”生日的初創企業已經成績斐然。

唐為華教授介紹，鎵族科技成立一年以來，目前已經申請近18項國家專利。在北京市科委“3英寸氧化鎵單晶襯底及外延工藝研究”招標課題的推動下，公司在氧化鎵單晶晶體生長及氧化外延薄膜生長方面取得重要進展，獲得高質量的單晶晶坯，為國內領先水平，接近日本同期水平。外延薄膜方面，鎵族科技的2英寸氧化鎵外延薄膜結晶性和均勻性都得到陣列化日盲紫外探測器的驗證，均勻性優于國外同類薄膜產品，且薄膜生長速度快。在氧化鎵基日盲紫外探測陣列器件芯片研制方面，已實現64×64陣列芯片，芯片對日盲波段紫外光的響應度、探測率、紫外/可見抑制比、響應時間等指標均可以滿足日盲紫外探測成像系統的應用。鎵族科技入選2018年中關村示范區分園高精尖產業培育“重大前沿原創技術成果轉化和產業化項目”。應邀參加2018年全國大眾創業萬眾創新活動周北京會場展示，被作為高校教師創業范例，媒體采訪與成都主會場互動。國家發展和改革委員會、科技部創新發展司以及中關村科技園區管理委員會、中關村發展集團等相關單位領導蒞臨展臺參觀，給予鎵族科技的氧化鎵產業化項目積極評價。2018年12月10日，北京市委書記蔡奇和市長陳吉寧一行參觀“中關村示范區創新成果展暨中關村改革開放40周年”座談會，鎵族科技得到市領導的高度關注。

早在2017年12月，北京市政府公布的《加快科技創新發展新一代信息技術等10個高精尖產業的指導意見》中明確北京市在未來將重點發展新材料、節能環保、醫藥健康、新一代信息技術、集成電路等10大高精尖產業。而在《北京市加快科技創新發展新材料產業的指導意見》中明確：到2020年，要突破一批前沿新材料原始創新技術和關鍵戰略材料核心制備技術，實現一批重大創新成果在京轉化和產業化；前瞻性地布局前沿新材料研發，加快關鍵戰略材料的研制。鎵族科技的初創正值這一重大機遇期，自然而然獲得了科技和產業推動者的關注。

鎵族科技在成立之初，選擇將公司立足于北京市順義區。順義區作為北京市推動關鍵戰略材料產業集聚發展的新材料產業聚集區之一，承接著第3代半導體材料、高性能纖維及復合材料和高端裝備用特種合金3大關鍵戰略材料產業。鎵族科技作為先進半導體研發企業，落戶順義不僅可享受到當地政府針對新材料企業實施的優惠產業政策，還能與許多半導體產業鏈上下游企業進行合作，利于企業相互協同發展。

唐為華教授說：“接下來，鎵族科技還將建立適當的產業化研發平臺，聯合國內及國際優秀科技人員，對超寬禁帶半導體氧化鎵從材料、設備、器件到應用各個產業環節自主研發或協同攻關。承擔重大研發項目，與創投基金合作，孵化氧化鎵產業化項目，或進行技術轉移。吸引國內外高層次人才加盟，使這個平臺成為氧化鎵產業的人才聚集地和技術聚集地?！蔽磥淼难趸壆a業技術研究平臺，將利用北京在半導體材料與器件方面的科技優勢，建設國際先進的氧化鎵產業化研發中心，服務全國氧化鎵產業更好地發展。

敢為天下先，必具有獨特的視角和考量。鎵族科技已經成為我國超寬禁帶半導體產業化的先行者，邁出了第一步。唐為華教授說：“我們希望結合北京市的半導體產業布局，聯合國內在寬禁帶半導體領域的優勢力量，提升我國寬禁帶半導體產業的國際競爭力，穩固我國在氧化鎵半導體材料上的領先地位，擔國‘鎵重任，為《中國制造2025》和實現民族科技自主化建設添磚加瓦?！?/p>