半導體是指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。常見的半導體材料有硅、鍺等，其中，硅是在商業(yè)應(yīng)用上最具有影響力的一種。第三代半導體，主要包括目前即將成熟應(yīng)用的碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN），也包括其他氮化物半導體、氧化物半導體和金剛石等寬禁帶及超寬禁帶半導體材料，具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點，因此也被業(yè)內(nèi)譽為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動機”。

2018年3月31日，深圳第三代半導體研究院成立。2018年7月底，研究院正式投入實際的研發(fā)工作，啟動第一批研發(fā)項目。如今，在南方科技大學臺州樓的深圳第三代半導體研究院，已有一個40多人的團隊，均為國內(nèi)、國際一流的人才，其中一半以上從事科學研究工作。

對第三代半導體的開發(fā)和市場應(yīng)用空間，研究院院長趙玉海相當有信心，認為“其發(fā)展空間巨大”。第三代半導體素有半導體“貴族”之稱，趙玉海和他的團隊成員，如今正努力做著一件事——讓第三代半導體這個“貴族”平民化。

市場需求推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展

去年高交會期間，第三代半導體研究院與龍華區(qū)簽訂了合作框架協(xié)議，選擇落戶龍華，以深圳報業(yè)集團舊廠房改造研究實驗室用地。這意味著未來幾年，這個由深圳第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟牽頭，聯(lián)合南方科技大學、復(fù)旦大學、中科院等高校、科研究所、骨干企業(yè)共建的新型民辦非盈利研發(fā)機構(gòu)將在龍華研究新型的第三代半導體材料，并助力龍華在新能源汽車、移動通信、消費電子、光電顯示等領(lǐng)域提升核心競爭力，促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展。

在談及第三代半導體之前，趙玉海首先普及了第一代和第二代半導體的發(fā)展情況。趙玉海表示，第一代半導體是以整合硅、鍺元素等為代表的半導體材料，其優(yōu)勢是周期長，發(fā)展成熟，成本低；第二代半導體材料是化合物半導體材料，屬于高頻段半導體；而第三代半導體則是以碳化硅、氮化鎵等為代表，目前處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期。“第三代半導體的出現(xiàn)，并不是一種替代關(guān)系，而是與前兩代半導體共存的關(guān)系。”趙玉海說。

業(yè)界對第三代半導體有一個形象的比喻，稱第三代半導體材料為“半導體中的貴族”，因為其成本高昂。其實，早在20多年前，國際上已經(jīng)掀起了研究第三代半導體之風，但由于成本高，市場發(fā)展不夠成熟，所以一直未形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。如今，科技創(chuàng)新打開了市場需求，第三代半導體研發(fā)正當時。

“以現(xiàn)在發(fā)展的5G技術(shù)為例，第一代半導體的整合硅材料已經(jīng)難以適應(yīng)5G技術(shù)的發(fā)展需求，如果采用了氮化鎵，優(yōu)勢立刻就凸顯出來了。以氮化鎵作為主要材料生產(chǎn)光伏變壓器可比硅材料的變壓器提高2%-3%的轉(zhuǎn)化率，這對大型企業(yè)而言，非常有利。”趙玉海舉例說明。

力爭實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈全覆蓋

“既然說第三代半導體是‘貴族’，那么我們現(xiàn)在的主要任務(wù)就是讓其平民化。”趙玉海說。

深圳是個創(chuàng)新發(fā)展的活力之城，既有包容性，又呈現(xiàn)開放性，能夠給新興產(chǎn)業(yè)以及配套產(chǎn)業(yè)提供給一個巨大的發(fā)展空間。按照原計劃，第三代半導體研究院的選址就落在南方科技大學，但因為種種原因，研究院不得不考慮遷址。

趙玉海說：“首先，我們需要的場地面積大，要20000平方米；其次，對層高要求也比較嚴苛，至少要6米以上，便于上下安裝實驗管道和空調(diào)。”機緣巧合，第三代半導體研究院與龍華“相遇”。“龍華區(qū)政府非常有誠意，相關(guān)部門積極主動與我們對接，并且給了很大的支持力度，配套產(chǎn)業(yè)鏈條也相當成熟，因此我們決定把研究院放在龍華。”

有別于一心埋首做研究的團隊，對第三代半導體研究院的發(fā)展，趙玉海有明晰的計劃和發(fā)展目標。“從襯底到外延再到芯片、模組，最后走向市場化應(yīng)用，我們希望打通產(chǎn)業(yè)鏈上的所有關(guān)卡，實現(xiàn)全覆蓋。”趙玉海說，無論是何種材料研發(fā)，都會面臨一個技術(shù)難題，即需要穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)技術(shù)來支撐。因為實驗室研究出來的成果，并不代表可以立即投入到生產(chǎn)中。要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈全覆蓋，而且不允許任何一個節(jié)點出現(xiàn)短板，這其中的難度可想而知。

目前，趙玉海帶領(lǐng)的這個40多人的團隊已經(jīng)形成了三支隊伍，分別從氮化鎵光電、半導體芯片封裝以及襯底材料三個節(jié)點進行研究，預(yù)期到年底，第三代半導體研究院就會推出一批科研成果，并推動其產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。“其實，我們做好了規(guī)劃，每年都會出一批成果，而且，我們有專業(yè)的孵化器，能起到帶動效應(yīng)，讓這些項目成果盡快孵化。”

升級打造產(chǎn)業(yè)新引擎

如果說，很多人不太了解何謂光電子，那么利用光電子發(fā)展領(lǐng)域中的發(fā)光優(yōu)勢所研發(fā)的照明技術(shù)，相信很多人都不陌生了。“我們所熟知的LED照明就是早年利用第三代半導體材料光電子發(fā)光優(yōu)勢而開發(fā)出來的，目前應(yīng)用十分普遍，技術(shù)也趨于成熟。”趙玉海說，未來第三代半導體的研究方向，將集中在三個方面：光電子、電力電子以及微波射頻。

光電子方向，第三代半導體材料可凸顯發(fā)光優(yōu)勢中的亮度優(yōu)勢，未來會朝Micro-Led與其他新興顯示技術(shù)方向發(fā)展。電路電子領(lǐng)域的發(fā)展空間非常巨大，跟城市發(fā)展中的電力傳輸、消費均有關(guān)系，亦可開發(fā)新材料應(yīng)用，運用在環(huán)保和工業(yè)上。“還有一個重要的發(fā)展方向是能源互聯(lián)網(wǎng)，像驅(qū)動輪船、電動汽車、空調(diào)等，都可以利用能源互聯(lián)網(wǎng)進行升級，達到產(chǎn)品輕量化和降低能源消耗的目的。”

面向未來的5G移動通信，海量的設(shè)備連接和新的應(yīng)用場景等，對超高的流量密度、連接數(shù)密度和移動性都提出了新的要求。第三代半導體技術(shù)研發(fā)的微波射頻技術(shù)，可超越前兩代半導體技術(shù)的承載能力，體現(xiàn)出更高頻、高效、低功耗和高功率密度的優(yōu)點。除了民用的5G通信技術(shù)，微波射頻同樣可用于軍用領(lǐng)域。“就拿雷達來說，用第三代半導體材料，可實現(xiàn)在目前探測距離的基礎(chǔ)上翻一番，讓探測更精確。”

研究院啟動之初，提出了五年內(nèi)要實現(xiàn)國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流；十年內(nèi)國際領(lǐng)先，立足深圳、覆蓋粵港澳大灣區(qū)、面向全國，輻射全球的計劃。同樣以五年為期，趙玉海說，屆時他的團隊要發(fā)展至450人。集各方智慧，打造開放研究的平臺，為產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供技術(shù)支撐，這也是設(shè)立第三代半導體研究院最重要的意義。
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