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下載手機(jī)APP 王鋼帶領(lǐng)團(tuán)隊解決氧化鎵半導(dǎo)體資料工業(yè)化的要害中心問題。
王鋼團(tuán)隊用數(shù)字建模、數(shù)字孿生等技能完成對反響腔的可視化。
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本次研討效果登上國家級榜單，背后是王鋼團(tuán)隊十余年磨一劍的堅韌。
近日，以“科技自立自強(qiáng)雙創(chuàng)驅(qū)動開展”為主題的2022“科創(chuàng)我國”年度會議舉行。會上，我國科協(xié)發(fā)布了2021年“科創(chuàng)我國”系列榜單。其中，“先導(dǎo)技能榜”面向生物醫(yī)藥、資源環(huán)境、電子信息、配備制作、先進(jìn)資料、現(xiàn)代農(nóng)林等六大領(lǐng)域，遴選出了100項具有寬廣運(yùn)用場景、高經(jīng)濟(jì)和社會效益的先導(dǎo)技能。
中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院(微電子學(xué)院)教授王鋼領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)團(tuán)隊十多年自主研發(fā)的“大尺度氧化鎵單晶薄膜異質(zhì)外延成長技能及中心配備”既是廣東省高校僅有入選的項目，也是廣州地區(qū)僅有入選的項目。王鋼團(tuán)隊的這項技能將在我國乃至全球新式超寬禁帶功率半導(dǎo)體資料領(lǐng)域形成工業(yè)化打破口，極大地推動我國氧化鎵基功率電子器材的開展和工業(yè)化進(jìn)程。
本次研討效果登上國家級榜單，背后是王鋼團(tuán)隊十余年磨一劍的堅韌。“每次推開一道門，都需求經(jīng)過不斷地探究，重復(fù)地試錯，才能找到下一道門。”王鋼對記者感嘆道。
完成并跑領(lǐng)跑他們決定破題“氧化鎵”
2004年，在日本一家公司擔(dān)任研發(fā)工程師的王鋼參加中山大學(xué)光電資料與技能國家要點實驗室，并組建了自己的團(tuán)隊。在中山大學(xué)大學(xué)城校區(qū)光電資料與技能國家要點實驗室的大樓里，王鋼團(tuán)隊用18年時間將寬禁帶半導(dǎo)體資料和器材實驗室建造成型，寬禁帶半導(dǎo)體資料和器材也成為這家國家要點實驗室的重要研討方向之一。
回國后的前8年，王鋼團(tuán)隊首要聚焦支撐LED工業(yè)的氮化物半導(dǎo)體資料。“在氮化物領(lǐng)域，咱們感覺長期處在跟跑狀況，所以一直在考慮有哪些新的資料可完成并跑乃至領(lǐng)跑。”王鋼說道，最終他們把目光鎖定在超寬禁帶半導(dǎo)體資料上。
氮化鎵和碳化硅是第三代半導(dǎo)體晶圓資料的干流選擇，其禁帶寬度大概在3.4eV(電子伏特)左右，屬于寬禁帶半導(dǎo)體資料。氧化鎵則是超寬禁帶半導(dǎo)體資料，因為其禁帶寬度大概在5eV。
特別的屬性讓氧化鎵有著“擊穿電場強(qiáng)度更強(qiáng)”“功率損耗更低”等優(yōu)勢。氧化鎵可讓人們運(yùn)用更少的資料制作出具有更高耐壓、更強(qiáng)功率處理才能的功率半導(dǎo)體器材，器材同時可以更薄、更輕。
功率半導(dǎo)體器材是逆變設(shè)備里的中心器材，交流電和直流電的轉(zhuǎn)化就是逆變。跟著高鐵、電動汽車以及高壓電網(wǎng)輸電體系的快速開展，全世界急切地需求具有更高轉(zhuǎn)化效率的高壓大功率半導(dǎo)體器材。氧化鎵功率半導(dǎo)體器材在與氮化鎵和碳化硅相同的耐壓情況下，導(dǎo)通電阻更低、功耗更小、更耐高溫、可以極大地節(jié)省高壓器材作業(yè)時的電能丟失。
“僅從節(jié)能的視點來理解超寬禁帶半導(dǎo)體資料不行全面，氧化鎵功率半導(dǎo)體器材允許在更高的溫度下操作，然后減少對龐大的冷卻器材體系的需求。氧化鎵在消費(fèi)電子、5G通訊、智能電網(wǎng)、軌道交通、雷達(dá)探測等領(lǐng)域有寬廣的運(yùn)用前景，氧化鎵基器材被稱為‘迄今為止最堅固耐用的晶體管’”。王鋼告知記者，跟著科技開展，社會的數(shù)字化、智能化程度不斷提升，被稱為“第四代超寬禁帶半導(dǎo)體資料”的氧化鎵將會有更多的運(yùn)用場景。
從0到1打造半導(dǎo)體制備中心設(shè)備
當(dāng)記者走進(jìn)寬禁帶半導(dǎo)體資料和器材實驗室，一代代大型CVD設(shè)備映入眼簾。王鋼說，這些都是從國外購買回來的CVD設(shè)備。“2006年咱們從英國買回這臺長氮化物的機(jī)器，為了打折咱們談得很辛苦，但也花了咱們將近1000萬元人民幣。”王鋼說。
為了完成氧化鎵外延資料及中心配備從0到1的打破，王鋼帶領(lǐng)團(tuán)隊開始研發(fā)大尺度、高質(zhì)量氧化鎵半導(dǎo)體薄膜資料異質(zhì)外延成長用MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積)設(shè)備，同時研發(fā)氧化鎵單晶薄膜資料的大尺度異質(zhì)外延成長工藝技能。
“咱們?nèi)ラ_學(xué)術(shù)交流會議時，聽到日本專家共享氧化鎵的功率電子器材的原型。我以為咱們同樣有才能完成此事，還能走出不同的技能路徑，于是咱們回國之后立馬著手研討，并以藍(lán)寶石作為襯底進(jìn)行異質(zhì)外延嘗試。”王鋼說，在起先的兩年時間里，他們都無法在藍(lán)寶石襯底上長出薄膜資料。這種氣悶難受的感覺一直讓王鋼難以忘懷，他也有過疑慮：這個研討方向是否真的能走向成功?
焦慮迷茫中，王鋼團(tuán)隊未曾拋棄。依靠長期在氮化物半導(dǎo)體元器材的研討經(jīng)歷，他們在一臺用于生產(chǎn)第二代半導(dǎo)體資料的老式MOCVD設(shè)備上進(jìn)行改造，并且對半導(dǎo)體設(shè)備反響腔室進(jìn)行共同規(guī)劃。十年來，團(tuán)隊不斷調(diào)整著工藝、參數(shù)和規(guī)劃方案，在近萬次的失利中總結(jié)經(jīng)歷。最終他們完成氧化鎵單晶薄膜資料外延成長MOCVD設(shè)備的自主研發(fā)，并且他們采用自主研發(fā)的MOCVD設(shè)備在藍(lán)寶石、碳化硅及硅等大尺度異質(zhì)襯底上成長了結(jié)晶質(zhì)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(xué)科交融讓“黑盒子”可視化
王鋼身上激蕩著理想主義的情懷。他告知記者，他這一輩子的方針是研發(fā)出更出色的國產(chǎn)設(shè)備，然后長出愈加優(yōu)質(zhì)的半導(dǎo)體資料。
在這項效果登上科創(chuàng)我國“先導(dǎo)技能榜”之前，網(wǎng)絡(luò)上基本搜索不到這項技能的任何信息。“做半導(dǎo)體的人應(yīng)該用90%的精力去做落地的工作，咱們也算是靜靜在做這件工作。”王鋼告知記者。
在十余年來對氧化鎵資料技能的研究中，王鋼說自己又是走運(yùn)的，“針對一些十分前沿的技能，在國家沒有推出要點研發(fā)計劃之前，需求不斷有人去熬。我十分走運(yùn)，可以得到中山大學(xué)和光電資料與技能國家要點實驗室探究性課題的一些資金的支持，同時仰仗產(chǎn)學(xué)研合作伙伴在MOCVD設(shè)備制作過程中硬件的投入，探究一些沒有完全把握的工作。”王鋼說。
即便自主研發(fā)的MOCVD設(shè)備已是發(fā)展喜人，但是王鋼團(tuán)隊還在努力讓氧化鎵MOCVD設(shè)備擁有更優(yōu)質(zhì)的功能然后走向大規(guī)模運(yùn)用。
一直以來，反響腔室如同黑盒子，工程師無法實時知曉里邊產(chǎn)生的化學(xué)變化。“咱們之前把自己稱為手藝人，首要憑著經(jīng)歷，等資料長出來后發(fā)現(xiàn)缺陷，咱們再回頭查看哪些環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題。”王鋼說。
這十多年來，王鋼也充分發(fā)揮光電資料與技能國家要點實驗室多學(xué)科交融的優(yōu)勢，用數(shù)字建模、數(shù)字孿生等技能完成對反響腔的可視化。記者看到，在王鋼團(tuán)隊自主研發(fā)的MOCVD設(shè)備旁邊，一臺計算機(jī)正在呈現(xiàn)模仿反響腔內(nèi)部反響過程的三維圖畫，每個粒子的活動軌跡都能清晰可見。
“這是一個多物理量的模仿，其中不僅能展現(xiàn)氣體的活動，還能反映溫度場、壓力場的情況。”王鋼告知記者。
“咱們有些運(yùn)用已經(jīng)超越國際同行。他們沒想到的運(yùn)用，咱們也開發(fā)出來了。”王鋼對記者說道，要害中心技能必定慢慢熬出來，此次團(tuán)隊去申報“科創(chuàng)我國”先導(dǎo)技能榜，并非介意外界點評。他們希望借此尋得機(jī)會將配備落地，為我國第四代半導(dǎo)體資料工業(yè)貢獻(xiàn)力量。文/廣州日報全媒體記者龍錕通訊員李建平圖/廣州日報全媒體記者蘇豪杰實習(xí)生林瀟雅
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研發(fā)超強(qiáng)半導(dǎo)體
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近日，以“科技自立自強(qiáng)雙創(chuàng)驅(qū)動開展”為主題的2022“科創(chuàng)我國”年度會議舉行。會上，我國科協(xié)發(fā)布了2021年“科創(chuàng)我國”系列榜單。其中，“先導(dǎo)技能榜”面向生物醫(yī)藥、資源環(huán)境、電子信息、配備制作、先進(jìn)資料、現(xiàn)代農(nóng)林等六大領(lǐng)域，遴選出了100項具有寬廣運(yùn)用場景、高經(jīng)濟(jì)和社會效益的先導(dǎo)技能。
中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院(微電子學(xué)院)教授王鋼領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)團(tuán)隊十多年自主研發(fā)的“大尺度氧化鎵單晶薄膜異質(zhì)外延成長技能及中心配備”既是廣東省高校僅有入選的項目，也是廣州地區(qū)僅有入選的項目。王鋼團(tuán)隊的這項技能將在我國乃至全球新式超寬禁帶功率半導(dǎo)體資料領(lǐng)域形成工業(yè)化打破口，極大地推動我國氧化鎵基功率電子器材的開展和工業(yè)化進(jìn)程。
本次研討效果登上國家級榜單，背后是王鋼團(tuán)隊十余年磨一劍的堅韌。“每次推開一道門，都需求經(jīng)過不斷地探究，重復(fù)地試錯，才能找到下一道門。”王鋼對記者感嘆道。
完成并跑領(lǐng)跑他們決定破題“氧化鎵”
2004年，在日本一家公司擔(dān)任研發(fā)工程師的王鋼參加中山大學(xué)光電資料與技能國家要點實驗室，并組建了自己的團(tuán)隊。在中山大學(xué)大學(xué)城校區(qū)光電資料與技能國家要點實驗室的大樓里，王鋼團(tuán)隊用18年時間將寬禁帶半導(dǎo)體資料和器材實驗室建造成型，寬禁帶半導(dǎo)體資料和器材也成為這家國家要點實驗室的重要研討方向之一。
回國后的前8年，王鋼團(tuán)隊首要聚焦支撐LED工業(yè)的氮化物半導(dǎo)體資料。“在氮化物領(lǐng)域，咱們感覺長期處在跟跑狀況，所以一直在考慮有哪些新的資料可完成并跑乃至領(lǐng)跑。”王鋼說道，最終他們把目光鎖定在超寬禁帶半導(dǎo)體資料上。
氮化鎵和碳化硅是第三代半導(dǎo)體晶圓資料的干流選擇，其禁帶寬度大概在3.4eV(電子伏特)左右，屬于寬禁帶半導(dǎo)體資料。氧化鎵則是超寬禁帶半導(dǎo)體資料，因為其禁帶寬度大概在5eV。
特別的屬性讓氧化鎵有著“擊穿電場強(qiáng)度更強(qiáng)”“功率損耗更低”等優(yōu)勢。氧化鎵可讓人們運(yùn)用更少的資料制作出具有更高耐壓、更強(qiáng)功率處理才能的功率半導(dǎo)體器材，器材同時可以更薄、更輕。
功率半導(dǎo)體器材是逆變設(shè)備里的中心器材，交流電和直流電的轉(zhuǎn)化就是逆變。跟著高鐵、電動汽車以及高壓電網(wǎng)輸電體系的快速開展，全世界急切地需求具有更高轉(zhuǎn)化效率的高壓大功率半導(dǎo)體器材。氧化鎵功率半導(dǎo)體器材在與氮化鎵和碳化硅相同的耐壓情況下，導(dǎo)通電阻更低、功耗更小、更耐高溫、可以極大地節(jié)省高壓器材作業(yè)時的電能丟失。
“僅從節(jié)能的視點來理解超寬禁帶半導(dǎo)體資料不行全面，氧化鎵功率半導(dǎo)體器材允許在更高的溫度下操作，然后減少對龐大的冷卻器材體系的需求。氧化鎵在消費(fèi)電子、5G通訊、智能電網(wǎng)、軌道交通、雷達(dá)探測等領(lǐng)域有寬廣的運(yùn)用前景，氧化鎵基器材被稱為‘迄今為止最堅固耐用的晶體管’”。王鋼告知記者，跟著科技開展，社會的數(shù)字化、智能化程度不斷提升，被稱為“第四代超寬禁帶半導(dǎo)體資料”的氧化鎵將會有更多的運(yùn)用場景。
從0到1打造半導(dǎo)體制備中心設(shè)備
當(dāng)記者走進(jìn)寬禁帶半導(dǎo)體資料和器材實驗室，一代代大型CVD設(shè)備映入眼簾。王鋼說，這些都是從國外購買回來的CVD設(shè)備。“2006年咱們從英國買回這臺長氮化物的機(jī)器，為了打折咱們談得很辛苦，但也花了咱們將近1000萬元人民幣。”王鋼說。
為了完成氧化鎵外延資料及中心配備從0到1的打破，王鋼帶領(lǐng)團(tuán)隊開始研發(fā)大尺度、高質(zhì)量氧化鎵半導(dǎo)體薄膜資料異質(zhì)外延成長用MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積)設(shè)備，同時研發(fā)氧化鎵單晶薄膜資料的大尺度異質(zhì)外延成長工藝技能。
“咱們?nèi)ラ_學(xué)術(shù)交流會議時，聽到日本專家共享氧化鎵的功率電子器材的原型。我以為咱們同樣有才能完成此事，還能走出不同的技能路徑，于是咱們回國之后立馬著手研討，并以藍(lán)寶石作為襯底進(jìn)行異質(zhì)外延嘗試。”王鋼說，在起先的兩年時間里，他們都無法在藍(lán)寶石襯底上長出薄膜資料。這種氣悶難受的感覺一直讓王鋼難以忘懷，他也有過疑慮：這個研討方向是否真的能走向成功?
焦慮迷茫中，王鋼團(tuán)隊未曾拋棄。依靠長期在氮化物半導(dǎo)體元器材的研討經(jīng)歷，他們在一臺用于生產(chǎn)第二代半導(dǎo)體資料的老式MOCVD設(shè)備上進(jìn)行改造，并且對半導(dǎo)體設(shè)備反響腔室進(jìn)行共同規(guī)劃。十年來，團(tuán)隊不斷調(diào)整著工藝、參數(shù)和規(guī)劃方案，在近萬次的失利中總結(jié)經(jīng)歷。最終他們完成氧化鎵單晶薄膜資料外延成長MOCVD設(shè)備的自主研發(fā)，并且他們采用自主研發(fā)的MOCVD設(shè)備在藍(lán)寶石、碳化硅及硅等大尺度異質(zhì)襯底上成長了結(jié)晶質(zhì)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(xué)科交融讓“黑盒子”可視化
王鋼身上激蕩著理想主義的情懷。他告知記者，他這一輩子的方針是研發(fā)出更出色的國產(chǎn)設(shè)備，然后長出愈加優(yōu)質(zhì)的半導(dǎo)體資料。
在這項效果登上科創(chuàng)我國“先導(dǎo)技能榜”之前，網(wǎng)絡(luò)上基本搜索不到這項技能的任何信息。“做半導(dǎo)體的人應(yīng)該用90%的精力去做落地的工作，咱們也算是靜靜在做這件工作。”王鋼告知記者。
在十余年來對氧化鎵資料技能的研究中，王鋼說自己又是走運(yùn)的，“針對一些十分前沿的技能，在國家沒有推出要點研發(fā)計劃之前，需求不斷有人去熬。我十分走運(yùn)，可以得到中山大學(xué)和光電資料與技能國家要點實驗室探究性課題的一些資金的支持，同時仰仗產(chǎn)學(xué)研合作伙伴在MOCVD設(shè)備制作過程中硬件的投入，探究一些沒有完全把握的工作。”王鋼說。
即便自主研發(fā)的MOCVD設(shè)備已是發(fā)展喜人，但是王鋼團(tuán)隊還在努力讓氧化鎵MOCVD設(shè)備擁有更優(yōu)質(zhì)的功能然后走向大規(guī)模運(yùn)用。
一直以來，反響腔室如同黑盒子，工程師無法實時知曉里邊產(chǎn)生的化學(xué)變化。“咱們之前把自己稱為手藝人，首要憑著經(jīng)歷，等資料長出來后發(fā)現(xiàn)缺陷，咱們再回頭查看哪些環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題。”王鋼說。
這十多年來，王鋼也充分發(fā)揮光電資料與技能國家要點實驗室多學(xué)科交融的優(yōu)勢，用數(shù)字建模、數(shù)字孿生等技能完成對反響腔的可視化。記者看到，在王鋼團(tuán)隊自主研發(fā)的MOCVD設(shè)備旁邊，一臺計算機(jī)正在呈現(xiàn)模仿反響腔內(nèi)部反響過程的三維圖畫，每個粒子的活動軌跡都能清晰可見。
“這是一個多物理量的模仿，其中不僅能展現(xiàn)氣體的活動，還能反映溫度場、壓力場的情況。”王鋼告知記者。
“咱們有些運(yùn)用已經(jīng)超越國際同行。他們沒想到的運(yùn)用，咱們也開發(fā)出來了。”王鋼對記者說道，要害中心技能必定慢慢熬出來，此次團(tuán)隊去申報“科創(chuàng)我國”先導(dǎo)技能榜，并非介意外界點評。他們希望借此尋得機(jī)會將配備落地，為我國第四代半導(dǎo)體資料工業(yè)貢獻(xiàn)力量。文/廣州日報全媒體記者龍錕通訊員李建平圖/廣州日報全媒體記者蘇豪杰實習(xí)生林瀟雅
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