本次研究成果登上國家級榜單，背后是王鋼團隊十余年磨一劍的堅韌。

近日，以“科技自立自強 雙創驅動發展”為主題的2022“科創中國”年度會議召開。會上，中國科協發布了2021年“科創中國”系列榜單。其中，“先導技術榜”面向生物醫藥、資源環境、電子信息、裝備制造、先進材料、現代農林等六大領域，遴選出了100項具有廣闊應用場景、高經濟和社會效益的先導技術。
 

王鋼在團隊自主研發的國內首臺氧化鎵異質外延專用多片型MOCVD量產裝備前。趙楠攝
 

中山大學電子與信息工程學院（微電子學院）教授王鋼領導的研發團隊十多年自主研發的“大尺寸氧化鎵單晶薄膜異質外延生長技術及核心裝備”既是廣東省高校唯一入選的項目，也是廣州地區唯一入選的項目。王鋼團隊的這項技術將在中國乃至全球新興超寬禁帶功率半導體材料領域形成產業化突破口，極大地推動中國氧化鎵基功率電子器件的發展和產業化進程。

 

本次研究成果登上國家級榜單，背后是王鋼團隊十余年磨一劍的堅韌。“每次推開一道門，都需要經過不斷地探索，反復地試錯，才能找到下一道門。”王鋼對記者感嘆道。

 

 

2004年，在日本一家公司擔任研發工程師的王鋼加入中山大學光電材料與技術國家重點實驗室，并組建了自己的團隊。在中山大學大學城校區光電材料與技術國家重點實驗室的大樓里，王鋼團隊用18年時間將寬禁帶半導體材料和器件實驗室建設成型，寬禁帶半導體材料和器件也成為這家國家重點實驗室的重要研究方向之一。

 

回國后的前8年，王鋼團隊主要聚焦支撐LED產業的氮化物半導體材料。“在氮化物領域，我們感覺長期處在跟跑狀態，所以一直在思考有哪些新的材料可實現并跑甚至領跑。”王鋼說道，最終他們把目光鎖定在超寬禁帶半導體材料上。

 

氮化鎵和碳化硅是第三代半導體晶圓材料的主流選擇，其禁帶寬度大概在3.4eV（電子伏特）左右，屬于寬禁帶半導體材料。氧化鎵則是超寬禁帶半導體材料，因為其禁帶寬度大概在5eV。

 

特殊的屬性讓氧化鎵有著“擊穿電場強度更強”“功率損耗更低”等優勢。氧化鎵可讓人們使用更少的材料制造出具有更高耐壓、更強功率處理能力的功率半導體器件，器件同時可以更薄、更輕。

 

功率半導體器件是逆變裝置里的核心器件，交流電和直流電的轉換便是逆變。隨著高鐵、電動汽車以及高壓電網輸電系統的快速發展，全世界急切地需要具有更高轉換效率的高壓大功率半導體器件。氧化鎵功率半導體器件在與氮化鎵和碳化硅相同的耐壓情況下，導通電阻更低、功耗更小、更耐高溫、能夠極大地節約高壓器件工作時的電能損失。

 

“僅從節能的角度來理解超寬禁帶半導體材料不夠全面，氧化鎵功率半導體器件允許在更高的溫度下操作，從而減少對龐大的冷卻器件系統的需求。氧化鎵在消費電子、5G通信、智能電網、軌道交通、雷達探測等領域有廣闊的應用前景，氧化鎵基器件被稱為‘迄今為止最堅固耐用的晶體管’”。王鋼告訴記者，隨著科技發展，社會的數字化、智能化程度不斷提升，被稱為“第四代超寬禁帶半導體材料”的氧化鎵將會有更多的應用場景。

王鋼帶領團隊解決氧化鎵半導體材料產業化的關鍵核心問題。
 

 

當記者走進寬禁帶半導體材料和器件實驗室，一代代大型CVD設備映入眼簾。王鋼說，這些都是從國外購買回來的CVD設備。“2006年我們從英國買回這臺長氮化物的機器，為了打折我們談得很辛苦，但也花了我們將近1000萬元人民幣。”王鋼說。

 

為了實現氧化鎵外延材料及核心裝備從0到1的突破，王鋼帶領團隊開始研制大尺寸、高質量氧化鎵半導體薄膜材料異質外延生長用MOCVD（金屬有機化學氣相沉積）設備，同時研發氧化鎵單晶薄膜材料的大尺寸異質外延生長工藝技術。

 

“我們去開學術交流會議時，聽到日本專家分享氧化鎵的功率電子器件的原型。我認為我們同樣有能力完成此事，還能走出不同的技術路徑，于是我們回國之后立馬著手研究，并以藍寶石作為襯底進行異質外延嘗試。”王鋼說，在起初的兩年時間里，他們都無法在藍寶石襯底上長出薄膜材料。這種氣悶難受的感覺一直讓王鋼難以忘懷，他也有過疑慮：這個研究方向是否真的能走向成功？

 

焦慮迷茫中，王鋼團隊未曾放棄。依靠長期在氮化物半導體元器件的研究經驗，他們在一臺用于生產第二代半導體材料的舊式MOCVD設備上進行改造，并且對半導體設備反應腔室進行獨特設計。十年來，團隊不斷調整著工藝、參數和設計方案，在近萬次的失敗中總結經驗。最終他們實現氧化鎵單晶薄膜材料外延生長MOCVD設備的自主研制，并且他們采用自主研制的MOCVD設備在藍寶石、碳化硅及硅等大尺寸異質襯底上生長了結晶質量高，晶向一致性好的4-8英寸的ε相氧化鎵單晶薄膜。

中山大學-四英寸氧化鎵外延片

 

王鋼身上激蕩著理想主義的情懷。他告訴記者，他這一輩子的目標是研發出更出色的國產設備，進而長出更加優質的半導體材料。

 

在這項成果登上科創中國“先導技術榜”之前，網絡上基本搜尋不到這項技術的任何信息。“做半導體的人應該用90%的精力去做落地的事情，我們也算是默默在做這件事情。”王鋼告訴記者。

 

在十余年來對氧化鎵材料技術的鉆研中，王鋼說自己又是幸運的，“針對一些非常前沿的技術，在國家尚未推出重點研發計劃之前，需要不斷有人去熬。我非常幸運，可以得到中山大學和光電材料與技術國家重點實驗室探索性課題的一些資金的支持，同時仰仗產學研合作伙伴在MOCVD設備制造過程中硬件的投入，探索一些沒有完全把握的事情。”王鋼說。

 

即便自主研發的MOCVD設備已是進展喜人，但是王鋼團隊還在努力讓氧化鎵MOCVD設備擁有更優質的性能從而走向大規模應用。

 

一直以來，反應腔室如同黑盒子，工程師無法實時知曉里面發生的化學變化。“我們之前把自己稱為手藝人，主要憑著經驗，等材料長出來后發現缺陷，我們再回頭查看哪些環節出現了問題。”王鋼說。

 

這十多年來，王鋼也充分發揮光電材料與技術國家重點實驗室多學科融合的優勢，用數字建模、數字孿生等技術實現對反應腔的可視化。記者看到，在王鋼團隊自主研制的MOCVD設備旁邊，一臺計算機正在呈現模擬反應腔內部反應過程的三維圖像，每個粒子的流動軌跡都能清晰可見。

 

“這是一個多物理量的模擬，其中不僅能展現氣體的流動，還能反映溫度場、壓力場的情況。”王鋼告訴記者。

 

“我們有些應用已經超越國際同行。他們沒想到的應用，我們也開發出來了。”王鋼對記者說道，關鍵核心技術一定慢慢熬出來，此次團隊去申報“科創中國”先導技術榜，并非在意外界評價。他們希望借此尋得機會將裝備落地，為中國第四代半導體材料產業貢獻力量。文/廣州日報全媒體