第三代半导体外延材料的产业化应用之路

  手机电脑快充器件、新能源车载电源、5G基站、MicroLED、深紫外LED……这些设备不能离开氮化镓外延材料，这也让该材料成为长期资金市场关注的“宠儿”。

  根据相关市场调查与研究机构的预测显示，到2026年，全球氮化镓电子和光电子材料和器件市场规模将突破423亿美元，年均复合增长率约为13.5%。这在某种程度上预示着氮化镓有望成为第三代半导体市场的“香饽饽”。

  北京大学物理学院教授沈波团队在学校的支持下，推动北京大学宽禁带半导体研究中心的科研成果落户顺义区第三代半导体产业园，并以技术入股形式成立北京中博芯半导体有限公司（以下简称中博芯）。

  日前，沈波在接受《中国科学报》记者正常采访时表示：“2024年公司的主要任务是早日实现氮化镓外延片销售的大幅度的提高。”

  进入21世纪以来，以氮化镓、碳化硅、氧化镓、金刚石为四大代表的第三代半导体材料开始初露头角。

  禁带宽度大、击穿电场强、导通电阻低、电子迁移率高、转换效率高、热导率高、损耗低……这些优势使得氮化镓成为非常关注的第三代半导体材料。

  1995年在日本取得博士学位后，沈波就开始从事氮化镓外延片材料的研究，取得了突出的学术成就。沈波告诉《中国科学报》：“我们研究的落脚点就是要解决氮化镓半导体走向实际应用面临的各种关键科学技术问题，这也是我们半导体物理这个学科本身的特点。”

  “氮化物半导体是一种宽禁带半导体，主要制备方法是外延生长在蓝宝石、硅等异质衬底材料上，外延材料中高缺陷密度成为氮化物半导体技术发展的关键瓶颈。”沈波团队的主要研究围绕大失配异质外延展开，包括衬底的图形化技术等领域。

  凭借氮化物半导体大失配异质外延技术，沈波团队获得2018年度国家技术发明奖二等奖，获奖理由是，发明了有效提升外延质量的图形化蓝宝石衬底新技术和外延生长新方法，制备出部分质量指标国际领先的氮化物半导体外延材料，比较好地解决了衬底和氮化镓失配的问题，并实现了产业化应用。

  “实验室里技术要变成企业产品，需要一个复杂的中试过程，此前我们从始至终跟企业合作，2020年我们在北京大学科技成果转化管理部门的帮助下成立了中博芯。”沈波介绍，“从最初的5人到如今40多人，中博芯的技术产品已经获得慢慢的变多的认可。”

  这些年来，沈波团队在技术攻关的同时一直跟产业界保持密切合作，在他眼中，将技术成果转让给企业是成果转化，自己亲自参与创业也是成果转化，后者比写一篇论文更复杂。

  沈波发现，公司在技术领域已经没有特别大的困难，要打开市场，除了高性能外，产品适销对路更重要。

  企业内部管理、商品市场销售、跟社会和政府打交道……这些对沈波来说有点困难，用他的话来说：“大学教授也得从头开始学。做实验有时候为达到指标而不计成本，做企业要关注质量、关注订单、关注客户，公司制作需要标准化、可重复的工艺技术，才能更好地适应市场形势变化。”

  “虽然我们在实验室已经将技术产品打磨得很好，但批量生产更看重成熟稳定的产品输出，而不完全是实验室那些高要求下产出的亮眼指标。”沈波告诉《中国科学报》，“创业的第一步是将技术落地变成产品，第二步是打开市场完成销售，第三步是扩大规模实现盈利，现在中博芯处于第二个阶段。”

  据了解，中博芯已拥有LED外延用高温MOCVD、大尺寸Si基GaN外延用MOCVD、4英寸芯片线，以及各类半导体分析测试设备，涵盖了从外延生长到芯片制备等产业链上各环节。

  “现在，公司有专业的运营管理团队，我除了公司工作外，依然在北京大学从事教书育人和科学研究。”在创业的同时，沈波并没有耽误科研工作。

  2023年6月，沈波团队在氮化物宽禁带半导体大失配异质外延研究上获重要进展——创新发展了一种“可控离散和可控聚合”的外延方法, 相关研究成果发表于《自然-材料》， 并荣膺2023年度“中国半导体十大研究进展”。沈波说：“由于前期创业的基础，这些新的成果也很顺利地快速投入公司的产品研究开发和应用推广。”

  由北京大学与北京科创基金合作组建北京大学科技成果转化基金——元培基金就是陪伴中博芯成长的一支耐心基金。该基金规模10.02亿人民币，用以聚焦北大重大原始创新项目，支持原始创新从实验室走向市场。2019年，沈波在申请校内科技成果转化的过程中，元培基金就主动找上门。

  “我们在关注第三代半导体材料的时候，就已经了解到沈波及其带领的北京大学宽禁带研究中心是国内氮化镓材料研发技术实力最强的团队之一。”元培基金董事总经理潘峰告诉《中国科学报》，“沈波团队在技术水平、投资规模、产品领先性等方面均占优，这也是我们投资的主要考量。”

  谈及长期资金市场为什么关注氮化镓外延材料，潘峰表示，目前国内的氮化镓外延材料发展处于产业化应用的初期，已经在5G基站、手机快充领域实现了较为普遍的应用，未来在数据中心电源、汽车电源、新型显示领域，还有着广阔的应用前景。

  “在氮化镓外延材料这块，国内团队的技术已处于全球领先水平，市场需求却没有正真获得充分满足，整体供应偏紧张，根本原因是外延材料生长过程中的技术难度较高，对设备、工艺、材料理解等各方面都是全新的挑战。”潘峰指出，如今主流的氮化镓外延材料所用的衬底包括硅衬底和碳化硅衬底两类，硅衬底价格实惠公道，但产品性能不足；碳化硅高温高频等各项性能优异，但碳化硅衬底成长慢、尺寸小、良率低，导致成本过高，下游市场接受难度较大。

  潘峰认为，氮化镓外延材料企业未来发展的机会体现在三个方面：一是有完整的工艺能力，有能力面对下游不一样的行业的需求，使用硅、碳化硅、氮化镓、蓝宝石不同衬底来生长优质外延材料的能力；二是有能力使用低成本大尺寸硅衬底，生长出高质量氮化镓外延材料的能力；三是在MOCVD、MBE等设备领域有能力研发出替代国外的设备。