氮化鎵、碳化硅的HB-LED技術(shù)研究及發(fā)展
- 作者：
- 安徽新天源建設(shè)咨詢有限公司
- 最后修訂：
- 2020-07-03 15:13:39
摘要：
目錄
主要專家簡介：
展開
【簡介】
高亮度半導(dǎo)體發(fā)光二極管（HB-LED）是半導(dǎo)體照明的關(guān)鍵器件?；谒{(lán)寶石襯底的氮化鎵基LED具有成本較低，適合于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)勢，應(yīng)用最廣泛。在藍(lán)寶石襯底上外延生長的氮化鎵由于晶格失配等原因，會產(chǎn)生應(yīng)力，并導(dǎo)致比較大的位錯密度。沿極性面生長，又會使電子空穴波函數(shù)發(fā)生分離，從而導(dǎo)致發(fā)光效率的降低。因此為降低位錯密度、提高發(fā)光效率，在藍(lán)寶石襯底外延氮化鎵的HB-LED的技術(shù)成為當(dāng)前研究的重要方向。碳化硅具有高熱導(dǎo)、耐高壓、高飽和電子漂移速率等優(yōu)異性能，與氮化鎵晶格的失配率遠(yuǎn)優(yōu)于藍(lán)寶石，但是成本較高，在高亮度LED高端應(yīng)用上有一定優(yōu)勢。本次沙龍就這兩種HB-LED的技術(shù)和發(fā)展前景進(jìn)行了討論。
【主持人致辭】
王玉富：現(xiàn)在學(xué)術(shù)沙龍活動開始。我們非常高興地邀請到趙麗霞研究員來做主旨報告。她報告的題目是"藍(lán)寶石襯底外延氮化鎵的HB-LED技術(shù)研究及發(fā)展趨勢"；我們還邀請到了北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司的彭同華研究員，他報告的題目是"碳化硅襯底技術(shù)進(jìn)展及在LED領(lǐng)域應(yīng)用"。歡迎各位專家和領(lǐng)導(dǎo)參加今天的學(xué)術(shù)沙龍活動。下面報告開始，先請趙麗霞研究員作報告。
【主旨報告】
趙麗霞：藍(lán)寶石襯底外延氮化鎵的HB-LED技術(shù)研究及發(fā)展趨勢
1.藍(lán)寶石襯底外延氮化鎵的HB-LED中的科學(xué)及技術(shù)問題
氮化鎵是直接帶隙的半導(dǎo)體材料，在光電應(yīng)用方面具有獨特優(yōu)勢?；诘壍腍B-LED對于通用照明來說，其核心問題是發(fā)光效率。其中外量子效率主要取決于三個層面的因素，內(nèi)量子效率、光提取效率，還有封裝方面的熒光轉(zhuǎn)化等效率，而且每個環(huán)節(jié)都息息相關(guān)。
目前生長氮化鎵基的HB-LED，常用的襯底包括：藍(lán)寶石、碳化硅、硅、氮化鎵。其中，藍(lán)寶石襯底的應(yīng)用還是比較廣泛。在藍(lán)寶石襯底上外延生長的氮化鎵由于晶格失配等原因，會產(chǎn)生應(yīng)力，并導(dǎo)致比較大的位錯密度。沿極性面生長，又會使電子空穴波函數(shù)發(fā)生分離，從而導(dǎo)致發(fā)光效率的降低。
2.藍(lán)寶石襯底外延氮化鎵的HB-LED技術(shù)研究現(xiàn)狀
為了降低位錯密度，早期采用橫向外延技術(shù)，但是有一定局限性。隨著技術(shù)進(jìn)步，目前主要采用各種圖形襯底，不僅可以緩解應(yīng)力，提高晶體質(zhì)量，而且可以提高氮化鎵和藍(lán)寶石之間的反射。在生長階段不需要掩膜，不間斷生長，大大簡化工藝。
材料外延生長主要通過MOCVD技術(shù)。LED一般包括緩沖層、n型層、p形層、電子阻擋層等結(jié)構(gòu)。通過LED量子阱、電子阻擋層及組分調(diào)控等的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以改善載流子分布，提高發(fā)光效率，降低Droop效應(yīng)。
LED量子阱中發(fā)出的光子，在出光的過程中，由于吸收以及氮化鎵折射率比較大等問題，會使得大量光子在傳輸過程中產(chǎn)生損失，難以出射。通過透明電極，表面粗化，光子晶體等技術(shù)，可以減少吸收，改善光傳輸行為，提高光提取效率。
封裝方面有熒光粉，特別是散熱。半導(dǎo)體芯片熱阻不大，但受到其他封裝材料的影響。因此，如何有效降低熱阻，對大幅度提高LED壽命和效率也至關(guān)重要。
3.藍(lán)寶石襯底外延氮化鎵的HB-LED發(fā)展趨勢
通過科學(xué)問題探討、技術(shù)改進(jìn)，過去的十幾年，發(fā)光效率得到了迅速發(fā)展，2014年三位日本科學(xué)家由于在藍(lán)光方面的杰出貢獻(xiàn)，獲得諾貝爾物理學(xué)獎?，F(xiàn)在，該領(lǐng)域也已開始向超越藍(lán)光和超越照明方面發(fā)展過渡，比如在紫外、單芯片白光、植物照明等領(lǐng)域都引起人們的關(guān)注，開展了相關(guān)的研究工作。
第三代半導(dǎo)體材料在微電和固體電子學(xué)交叉領(lǐng)域也有獨特的優(yōu)勢，特別是在信息、能源方面。光通信方面，和傳統(tǒng)照明不一樣，LED基于半導(dǎo)體，除了照明之外，還可以實現(xiàn)短距離無線通信，目前我們通過量子阱的設(shè)計，已經(jīng)可以達(dá)到700MHz，光功率也可以滿足自由空間光通信的需求。能源方面，通過對不同摻雜的氮化物進(jìn)行腐蝕，還可以制備橫向多孔材料，不僅可以顯著提高光水解性能，穩(wěn)定性好。除此之外，基于該結(jié)構(gòu)的MSM氮化鎵探測器，在紫外探測方面也具有明顯的優(yōu)勢。
總的來說，以氮化物為代表的第三代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展"日新月異"，我們也將緊跟新時代、新需求，勇攀科技高峰。也希望大家多多支持，我們通力合作，謝謝大家！
【邀請報告】
彭同華：碳化硅襯底技術(shù)進(jìn)展及在LED領(lǐng)域應(yīng)用
1.碳化硅襯底技術(shù)研究進(jìn)展
碳化硅具有高熱導(dǎo)、耐高壓、高飽和電子漂移速率、抗輻射、化學(xué)穩(wěn)定等優(yōu)異性能，主要應(yīng)用在電力電子、高亮度LED、微波器件三大領(lǐng)域。
碳化硅襯底的生長方法有三種：一是物理氣相傳輸法，該技術(shù)相對成熟，性價比高；二是高溫化學(xué)氣相沉積法，優(yōu)點是原料可持續(xù)供應(yīng)，可精確控制原料中的碳硅比；三是液相法，尚處于研究階段。
PVT法生長碳化硅存在以下技術(shù)難點，一是晶體生長溫度高達(dá)2300℃，直接精確控溫困難；二是很難獲得單一的碳化硅晶體結(jié)構(gòu)；三是生長時原料易升華為非同成份其他物質(zhì)；四是熔體法采用的縮徑-放肩技術(shù)不適用于氣相法碳化硅晶體生長，氣相法單晶直徑放大技術(shù)需自主研發(fā)。
目前國際上使用的碳化硅襯底尺寸主要為4寸和6寸，2017年8寸產(chǎn)品已經(jīng)展示出來了，但真正投入使用還需要2年時間。
碳化硅晶體生長時如果臺階過寬，晶型沿 [0001] 方向的排列信息反應(yīng)不出來，會在臺階上自發(fā)成核，發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)晶體表面不光滑、不平整時，易發(fā)生多型相變，4H會發(fā)生6H和15R相變。另一方面晶型轉(zhuǎn)變與生長室氣氛相關(guān)，通過控制生長室氣氛解決了多型相變技術(shù)。
研究發(fā)現(xiàn)，層錯缺陷平行于C面，且層錯缺陷密度與生長氣氛有關(guān)，氮摻雜濃度越高，晶體中的層錯密度越大。
目前工業(yè)級碳化硅襯底微管密度小于0.2個/cm2，層錯缺陷基本消除，基平面位錯工業(yè)級襯底小于800個/cm2。經(jīng)預(yù)測，2019年碳化硅襯底市場約為3.5億美金，主要包括電力電子和微波領(lǐng)域，加上LED等其他領(lǐng)域應(yīng)用，大概為8億美金。
在我國，碳化硅襯底已經(jīng)從實驗室的研究走上了產(chǎn)業(yè)化的道路。以中科院物理所的技術(shù)為基礎(chǔ)成立的天科合達(dá)公司已成立11年，突破了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的碳化硅晶體生產(chǎn)設(shè)備研制、微管缺陷控制、多型相變等產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)。公司主要產(chǎn)品為2、3、4英寸導(dǎo)電6H碳化硅晶片和2、3、4、6英寸導(dǎo)電4H碳化硅晶片。目前總部設(shè)在北京市海淀區(qū)，與中科院物理所建有前瞻研發(fā)中心，一個生產(chǎn)基地在大興，主要從事工藝穩(wěn)定性驗證和產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)品為4寸和6寸碳化硅晶片；另外一個生產(chǎn)基地在新疆，主要從事晶體生長的產(chǎn)業(yè)化。
2、碳化硅襯底材料在LED應(yīng)用
LED領(lǐng)域有四種襯底材料，分別為藍(lán)寶石、碳化硅、硅及氮化鎵，其中氮化鎵襯底同質(zhì)外延僅限于研究，尚未實用化。目前市場最大的是藍(lán)寶石襯底，其次是碳化硅襯底，最后是硅襯底。氮化鎵襯底性能最好；目前藍(lán)寶石性價比最高；碳化硅性能比藍(lán)寶石好，但價格也比藍(lán)寶石貴；硅襯底性能較差，但價格最便宜。
碳化硅襯底具有很多優(yōu)勢，其晶格失配小，有助于提高外延材料質(zhì)量；熱導(dǎo)率高，適合于大功率、高亮度芯片；襯底導(dǎo)電，可制備垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光器件；高發(fā)光效率，一個碳化硅基LED約相當(dāng)于3個藍(lán)寶石基LED發(fā)光強(qiáng)度。
由于碳化硅與氮化鎵外延層間存在晶格失配和熱膨脹失配，導(dǎo)致高翹曲度和高位錯密度。另外隨著碳化硅襯底尺寸加大，外延均勻性差，需優(yōu)化包括溫場和氣流場。
2017財年美國CREE公司照明產(chǎn)品收入7億美元，LED產(chǎn)品收入5.5億美元，WOLFSPEED收入2.2億美元，合計約15億美元。量產(chǎn)產(chǎn)品發(fā)光效率超200LM/W。為了降低碳化硅成本和擴(kuò)大碳化硅市場規(guī)模，CREE公司2014年到2017年主要發(fā)展6英寸產(chǎn)品。
因碳化硅襯底價格較貴，在LED領(lǐng)域主要應(yīng)用在中高端領(lǐng)域，包括碳化硅LED道路示范線、道路照明、重要的室內(nèi)照明，中低端領(lǐng)域仍以藍(lán)寶石襯底為主。
此外，美國CREE公司和三安光電于今年合資成立CREE VENTURE LED公司，其中CREE占51%，三安占49%。
【交流與討論】
李致潔：LED發(fā)光效率跟溫度是怎樣的關(guān)系？
趙麗霞：比如說剛才為什么說散熱問題。如果說溫度比較高的話，由于非輻射復(fù)合、還有俄歇復(fù)合等，會隨著溫度增加增高，降低發(fā)光強(qiáng)度。一般情況下希望溫度低一些，這樣對發(fā)光有所改善。而且如果LED長時間在發(fā)熱狀態(tài)下工作的話，高溫對壽命和可靠性都會受到影響。我們一般說盡量減小熱效應(yīng)，量子阱的結(jié)溫，這樣不僅提高可以效率，而且也可以提高可靠性。
王啟明：就算半導(dǎo)體要突破或者是響應(yīng)的話，難度比較大，為什么能達(dá)到50G速率。
趙麗霞：一開始看50GPS好像挺嚇人的，當(dāng)時是我們做的，我們提供的是單顆器件，40多兆，單通道傳輸大約為400多M，系統(tǒng)里有多路，多顆LED器件，最后整個系統(tǒng)傳輸可以達(dá)到50GHz?，F(xiàn)在我們已經(jīng)可以提高到700多兆，所里也在做相關(guān)的工作，單路一個速率可以達(dá)到625M。我們希望通過一些方式可以達(dá)到1G，在自由空間，定位和通信方面都有它獨特的優(yōu)勢。
王啟明：單核可以提高到1G的話，在光應(yīng)用上就很有意思。第二個問題LED來做通信的話，它的不可替代性和應(yīng)用在哪？
趙麗霞：因為剛開始溝通的時候，這個報告是做一個HB-LED的報告，如果做光通信也可以講差不多快一個小時，就可以介紹LED在光通信的優(yōu)勢，首先和傳統(tǒng)RF相比，沒有電磁輻射，不受頻譜的限制，特別是軍工安全方面，在受到電磁干擾的場所，比如說航空、醫(yī)院等地用這種通信，還有水下通信、定位等等方面，短距離光傳輸都具有它獨特的優(yōu)勢。
王啟明：貴州做這個路燈通訊的時候，我跟他們講沒有必要，因為現(xiàn)在手機(jī)網(wǎng)絡(luò)那么發(fā)達(dá)了，但是有一個不可替代性，比如說要追蹤恐怖分子的話，定位這一塊就不可替代了。
趙麗霞：為什么剛才說做發(fā)光和探測一體化呢，比如說USB整個鼠標(biāo)里面。如果器件發(fā)光和探測都坐在一起的話，小型化也是發(fā)展的趨勢，和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合等都有非常大的應(yīng)用市場。
鐘興儒：我覺得我們所應(yīng)該好好組織應(yīng)用方面的事，LED也十幾年了，我挺替我們所擔(dān)憂的，前段時間大功率電子器件報告時很多東西別人都做了。最近我在寫一個報告，我覺得寫的很差，還停留在藍(lán)寶石上面，對新技術(shù)沒有很好寫，比如說硅上面做外延，這是國際上的共識，要想減成本，做電子器件必須要在硅上做外延，國外取得了很大進(jìn)展，在中國生產(chǎn)方面有很大進(jìn)展，南京專門生產(chǎn)硅上面氮化鎵的片子了，我們走的太慢了，跟不上發(fā)展。
我們要有緊迫感，半導(dǎo)體無論哪個器件研究已經(jīng)處于成熟期，一旦抓住就要向應(yīng)用方面擴(kuò)展。你現(xiàn)在的這個課題我很欣賞，像水的電解問題，光通訊的問題，就像剛才王所長說的，找到一個不可替代的方向抓緊做，而且我希望所領(lǐng)導(dǎo)要去布置這件事情。有苗頭的就要做擴(kuò)展，因為很成熟了，我聽領(lǐng)導(dǎo)說我們一年幾十個億，我覺得挺好了，后來我下面一打聽有的是咱們的10倍，我覺得我們應(yīng)該好好發(fā)展，我希望所里領(lǐng)導(dǎo)好好抓抓應(yīng)用，組織各方面的人才，我們所人才太單一了，物理方面我們是強(qiáng)項，人才方面我們不是強(qiáng)項，應(yīng)該要把應(yīng)用上面搞上去。
趙麗霞；就像今天做這個報告之前，溝通之后做藍(lán)寶石襯底的大功率LED方面的報告，它的發(fā)展是什么情況。在2007,08年的時候，藍(lán)寶石基HB-LED發(fā)光效率就達(dá)到80每瓦時，整個全球開始走向應(yīng)用。那么走向應(yīng)用時，國內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)應(yīng)該怎么處理、面對。隨著藍(lán)寶石基LED技術(shù)成熟，在照明方面有它自己的優(yōu)勢。硅在2007，2008年國外加大研究力度，那個時候藍(lán)寶石已經(jīng)開始進(jìn)入市場，國外硅的技術(shù)也不斷發(fā)展，當(dāng)時我們國家也有部署。剛才聽了老師說的這種恨鐵不成鋼的感覺，我也感到責(zé)任重大，針對一些關(guān)鍵問題，抓緊時間做。
李致潔：第二個問題，小工藝的問題，一個LED芯片大概一平方毫米，8英寸或者是12英寸上有很多很多的，現(xiàn)在通過光刻的辦法每個LED芯片是圓形還是整個做的切割？
趙麗霞：2英寸藍(lán)寶石制作小功率可以達(dá)到上萬顆，如果功率型器件的話，可以做成2000多顆，前面做芯片整個工藝，封裝過程中進(jìn)行分選、切割。
李致潔：如果切割的話邊緣，每個LED的P層、中間有過渡層，下面有N層。
趙麗霞：你說的中間過渡是指量子阱？
李致潔：你做切割做很多，LED芯片固定了它的位置、垂直結(jié)構(gòu)，還有一種整片都去外延一個一個出來，然后你切割，切割以后每一層的界面就暴露出來，對性能有什么影響？
趙麗霞：如果處理不好肯定對性能有影響。首先是外延，2英寸或4英寸進(jìn)行外延生長，所有工藝流程走完之后，進(jìn)行封裝。如果對于藍(lán)寶石的話，藍(lán)寶石非常厚，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性要進(jìn)行減薄，先劃裂，然后是需要給它進(jìn)行相關(guān)的保護(hù)，保護(hù)完以后經(jīng)過分選。
李致潔：我國工業(yè)化芯片生產(chǎn)處于什么狀態(tài)？
趙麗霞：咱們實事求是的說，基于藍(lán)寶石LED的話，首先第一梯隊是美國或是日本的。第二個是臺灣的藍(lán)寶石襯底上面生長還可以，大陸產(chǎn)業(yè)界還稍微落后，不過一直是一個加速的過程，畢竟我們中國投入藍(lán)寶石生長的LED是2003年半導(dǎo)體工程啟動以后才開始的，其他國家都是從90年代，我們國家是2003年之后才開始起步，發(fā)展有一個過程。
江德生：剛才說碳化硅材料可以從新疆很好的獲得，碳化硅用什么原料？
彭同華：用硅粉和碳粉合成，新疆硅粉比較便宜，新疆也有單晶硅的企業(yè)，碳粉我們目前還在進(jìn)口，用硅粉和碳粉在新疆合成，一方面硅粉價格較低，另一方面合成碳化硅粉時電價較便宜，使得我們的原料整體成本比較低。
王啟明：做什么事都要有一個不可替代的目標(biāo)，有所為有所不為。我們做LED有很多用途，我覺得作為一般照明來講LED亮度最終還是有限的，要從成本和習(xí)慣來講頂多跟現(xiàn)在的白熾燈差不多，要想法發(fā)揮它不可替代的作用。你剛才講碳化硅，作為普通襯底來講，應(yīng)該還有硅。將來應(yīng)該兩種襯底，藍(lán)寶石最終是要淘汰的，碳化硅要做高亮度的LED，在哪里？如果商用角度來講要便宜、兼容性，要選擇硅，硅的話國家在硅襯底的氮化鎵LED是江西的發(fā)明，這是很成功的，所以前年得了國家發(fā)明一等獎。要講究便宜，碳化硅我知道成本還是比較高的。那么我覺得將來做LED做室內(nèi)通訊沒有意義，你說我到老遠(yuǎn)打個電話來燈亮了，我的冰箱什么都自動開了，這個意義不大。你要碳化硅的話必須高亮度，高亮度包括大屏幕顯示沒有它不行。硅應(yīng)該做什么？我覺得硅不一定要高亮度，但是必須跟硅的處理器兼容，我在硅片上面光源不一定很亮，做安保或者是反恐用，半導(dǎo)體所四周都有這個燈，現(xiàn)在通訊只是實時報道信息，我們這樣的話不僅實時還實地，要裝反恐的話，你跑那個地方路燈就告知了，如果能跟硅一起的話是得天獨厚的，我們的追求在普通商用燈泡的話要適可而止。
我"瞎"提一個在石墨烯上面做氮化鎵，石墨的襯底，如果用石墨價錢很便宜，如果能做到在國際上還是原創(chuàng)性的突破。
鐘興儒：我對碳化硅非常的關(guān)注，聽到你的報告我很高興。
桂文莊：三安光電是什么企業(yè)？
彭同華：是國內(nèi)最大的LED企業(yè)。CREE是美國公司，做碳化硅襯底的LED，三安光電是國內(nèi)的LED企業(yè)，主要用藍(lán)寶石襯底，這兩個公司成立合資公司，合資公司設(shè)在國內(nèi)。因為三安成本控制比較好，產(chǎn)業(yè)規(guī)模大，資本雄厚，但很難進(jìn)入美國公司，CREE成本沒有很好競爭力，但在美國市場有很好的渠道，就各取所需成立合資公司。
鐘興儒：你們?nèi)〉贸删褪欠浅Ａ钊斯奈璧?，我高度的贊賞，你剛才講到外延好像是作為一種方法，是器件的工藝。我覺得你們應(yīng)該在這個基礎(chǔ)上向器件發(fā)展，CREE也是這樣做的，也是做器件，你剛才說做LED我跟王院士一樣覺得太不值了，就是碳化硅二極管能做出來非常了不起，而且應(yīng)用非常廣。現(xiàn)在開關(guān)電路里面，除了開關(guān)器件旁路就是碳化硅二極管，用這個東西就是很了不起的事。希望你們馬上開展氣相外延工作，因為是做薄層的，第一步就做二極管，然后電力電子器件，我看你們這樣的勁頭、進(jìn)展一定會成功。
彭同華：謝謝，我們現(xiàn)在主要做襯底這一塊，我們也希望能夠往下延伸，產(chǎn)業(yè)確實投資太大，包括外延、器件，每個環(huán)節(jié)投資都很大，襯底我們做了10年時間，襯底跟國外仍然有點差距，國外比我們早20年產(chǎn)業(yè)化運作。另外外延、SBD器件又是很大一筆投資，包括人才都很難的。
鐘興儒：我們所很早就開始從事研究，你可以從基礎(chǔ)慢慢做起。
江德生：在清河是不是有一家企業(yè)在做碳化硅二極管。
彭同華：泰科天潤在做碳化硅二極管。
江德生：我們有一個博士生在做碳化硅二極管。
鐘興儒：如果大功率的外延片，你做單片外延是不困難的。
王玉富：大家可以想象一下如果半導(dǎo)體有一個天科合達(dá)會是什么樣子？可能是鐘老師很多理想在半導(dǎo)體所天科合達(dá)實現(xiàn)了。
鄭紅軍：半導(dǎo)體所在碳化硅襯底上這方面前期工作做的少一些，半導(dǎo)體所在外延、器件這部分應(yīng)該說有非常先進(jìn)的水平。孫國勝也和天科合達(dá)有合作，包括張峰那邊，這也是我們半導(dǎo)體所在碳化硅外延工作。接著彭博和趙博講完了，其實LED這塊李致潔老師在前幾次關(guān)于制定2017年沙龍計劃時，曾經(jīng)給我們很多建議，國家從2016年開始，從"十三五"規(guī)劃看，對半導(dǎo)體照明這塊做出了很大支持，要做一些突破。LED來看半導(dǎo)體照明光源可以替代我們傳統(tǒng)的，優(yōu)勢在于體積小、壽命長，每個壽命可以做到10萬個小時，對環(huán)保、國家節(jié)能減排都有好處。在LED發(fā)光材料上，發(fā)光顏色和效率可能跟材料有關(guān)?，F(xiàn)在了解現(xiàn)在廣泛使用紅光、綠色和藍(lán)色，氮化鎵方面主要是在藍(lán)色等。
但是在這里面我們今天講的主要是藍(lán)寶石、碳化硅，剛才在講的時候我思考幾個問題，這幾個材料在發(fā)光效率上藍(lán)寶石可以做到150lm/W，碳化硅可以做到200lm/W，在發(fā)光效率上確實體現(xiàn)差異。在物理基礎(chǔ)參數(shù)上體現(xiàn)了差異，比如說跟氮化鎵外延，從晶格匹配上，碳化硅上長氮化鎵確實好一些，藍(lán)寶石失配大一些，直接影響外延的質(zhì)量。另外導(dǎo)電性、熱導(dǎo)率也是有差異的。
藍(lán)寶石上氮化鎵在中低端用的比較多，碳化硅上氮化鎵在高端，發(fā)光效率比較高的。我也在思考，尤其鐘老師講的，究竟今后的發(fā)展，碳化硅上的氮化鎵如何能夠像藍(lán)寶石上的氮化鎵在整個市場，產(chǎn)業(yè)化市場上，尤其高亮度的需求量上比較多，涉及到成本問題，產(chǎn)業(yè)鏈不完善的問題，技術(shù)的瓶頸等，這些問題還是希望開會的兩位博士這方面，為我們國家在發(fā)展方面多在技術(shù)上和方向上多做些工作。我們半導(dǎo)體所老科協(xié)這些人希望多聽聽你們這方面的信息，也希望這方面多給大家做貢獻(xiàn)。
王玉富：王老師剛才重點強(qiáng)調(diào)，不是說一般的東西我們不搞，一般東西是要搞的，但是特色的、主導(dǎo)的、重要的東西我們要優(yōu)先搞，什么東西具有不可替代性，充分發(fā)揮我們LED特點的東西。比如LED本身發(fā)的就是紫外光LED就可以直接利用，如果作為印刷、顏料固化恰好有這樣需求，目前大部分都是管燈，它的效率是百分之十幾的樣子，可能是一個重要的發(fā)展方向，世界上很重視，都在做，已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)品開始推廣階段，但是還有很多很多問題，要真正抓住這樣的機(jī)會，現(xiàn)在全世界百分之七十到八十的印刷業(yè)務(wù)都進(jìn)入我們廣東生產(chǎn)了。
王德斌：我們在廣州公司就是做UV燈，就是汞燈，高壓汞燈。用于一分鐘2萬個可樂杯、皮子、木地板等的印刷機(jī)。UV燈這個東西有什么特點，在中國我是第一個2008年把它從傳統(tǒng)變壓器轉(zhuǎn)成電子變壓器，2008年以前全是變壓器，一個變壓器串連一個電感。說LED照明節(jié)能，只節(jié)燈泡錢，跟工業(yè)應(yīng)用相比差太多了。比如說油漆桶、可樂杯印刷，需要幾臺機(jī)器，每個20多千瓦，效率只有5到10%，廣譜的，可利用的就是單一波長395nm或者是420nm，油墨決定的。我們印刷就是噴油墨，然后過去就干了。假如用LED純粹做UV紫外線就用395nm，油墨需要什么它就給什么。500瓦就搞定。
王玉富：有21千瓦與500瓦的巨大差別。
王德斌：目前情況下我們客戶LED、UV也是在中國做新的產(chǎn)業(yè)化，2020年就不允許采用有污染的汞，因為傳統(tǒng)的燈管如果報廢了汞就在空氣中，對環(huán)境是有污染的。所以不允許采用燈管式的。這是北京郵電學(xué)院做的，主要印刷業(yè)為主。日常生活中所見到的任何東西，凡是印刷相關(guān)的，大都不是紅外線固化了，全都是UV固化的。LED UV有一個毛病襯底容易老化，發(fā)光的紫外線是高能量，很容易襯底就老化了，我們在做什么？我們搞水冷，通水冷卻，在工藝上還有很多簡化的東西。我們認(rèn)為UV獨立的光譜，這個市場前景很大。1厘米發(fā)光長度是80到200瓦，印刷大的話，最長的是2.4米，全部是UV，因為不用等待，馬上生產(chǎn)、馬上打包，直接出貨。包括平常用的標(biāo)簽紙都是UV，UV LED使用是很好的，希望你們能解決這個問題。
剛才鐘老師講的問題碳化硅太貴，我用功率管，普通的IGBT用75度就可以了，喜歡用高一點的話，體積減小，減小很多。剛才鐘老師說的很對，碳化硅做的東西能不能材料價格降下來，溫度升上去，我們用這種電子元器件就非常喜歡。
彭同華：碳化硅這塊確實價格比較高，同樣尺寸襯底碳化硅和硅相比可能高于10倍，正是因為這個問題，整個碳化硅產(chǎn)業(yè)界都在想盡辦法降低碳化硅成本，目前還仍然需要時間積累，包括規(guī)模效應(yīng)，技術(shù)提升，單位產(chǎn)出。碳化硅目前這塊性能很明顯，無論是做LED、電力電子也好，做LED性能好、做電力電子性能也好，在高端領(lǐng)域也在用碳化硅，包括新能源汽車充電樁也在慢慢占領(lǐng)硅的市場，軌道交通這塊也在做工作。LED這塊做的慢有原因，CREE公司做的比較早，一方面做的比較早，技術(shù)壁壘比較高，核心技術(shù)比較強(qiáng)。但是CREE公司主要是96、97年申請專利比較多，今年大致是一個分水嶺，陸續(xù)很多專利到期，這個是可以慢慢的繞過專利壁壘的。
產(chǎn)業(yè)發(fā)展確實需要龍頭企業(yè)帶動，包括LED這塊，像三安和CREE公司合資，三安一方面資金沒有任何問題，也是LED國內(nèi)的龍頭，跟CREE公司合資公司做這一塊，未來在CREE公司帶動下，國內(nèi)的碳化硅基LED會發(fā)展壯大；另一方面，碳化硅襯底企業(yè)做大以后，也可以向下游延伸做LED，LED相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈短一些，電力電子器件產(chǎn)業(yè)鏈太長了，不可能一個企業(yè)做全產(chǎn)業(yè)鏈，因此未來有幾種方式碳化硅基LED市場擴(kuò)大。
王啟明：山東大學(xué)10年前做直拉碳化硅的。
彭同華：應(yīng)該不會，碳化硅升華，不會直拉，可能是指一個傳動機(jī)構(gòu)，整個線圈在移動。碳化硅材料沒有熔體狀態(tài)。
王啟明：你用高溫氣相生長碳化硅襯底籽晶是什么？碳化硅襯底價格趨勢怎樣？
彭同華：籽晶是碳化硅，氣源就是丙烷和硅烷。碳化硅襯底基本上每年價格會降15%，今后5年價格還會降。
王德斌：一開始UV燈是我們做出來的，德國人賣給我們是8000歐，我們現(xiàn)在做出來就沒有那么貴了。
王玉富：電力電子非常重要的機(jī)會，歐洲很多國家，2025年到2040年期間，禁止產(chǎn)銷汽油車，第二個是產(chǎn)業(yè)變革，我們國家政府有一個響應(yīng)，作為人類工業(yè)過程，到2040年是很短的一瞬，這個一定涉及整個電力電子，沒有比它再熱的產(chǎn)業(yè)了，整個社會發(fā)展沒有比它更熱的學(xué)科了，這方面確實應(yīng)該引起半導(dǎo)體所、中國科技界非常非常大的重視才可以。
2008年開始整個全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)，到現(xiàn)在為止經(jīng)濟(jì)危機(jī)結(jié)束了嗎？我認(rèn)為沒有結(jié)束，以前大的經(jīng)濟(jì)危機(jī)，一戰(zhàn)、二戰(zhàn)靠打仗結(jié)束，現(xiàn)在靠什么來結(jié)束經(jīng)濟(jì)危機(jī)？靠大的產(chǎn)業(yè)變革，現(xiàn)在電力電子正是機(jī)會，要想結(jié)束經(jīng)濟(jì)危機(jī)要靠分布式發(fā)電系統(tǒng)大產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化結(jié)束經(jīng)濟(jì)危機(jī)。上世紀(jì)50、60年代，日本要把美國買了，后來很順利的把這個事情扭轉(zhuǎn)了，很多人認(rèn)為是日元升值了，我認(rèn)為就是靠英特爾、微軟把日本打敗了。你現(xiàn)在看日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在哪里，日本計算機(jī)產(chǎn)業(yè)在哪里，你沒有半導(dǎo)體位置，計算機(jī)產(chǎn)業(yè)的位置，美國80年代翻身了，我認(rèn)為這是根本性的原因?，F(xiàn)在也是非常好的機(jī)遇，我們國家要想真正的處于世界領(lǐng)頭羊位置，真正有我們自己位置一定要抓住電力電子產(chǎn)業(yè)引發(fā)的變革，我們國家不要2040年，我們2020年不行，2025年不行，2030年行不行，一定要下決心中國真正做到世界領(lǐng)頭羊。希望我們國家、半導(dǎo)體所能夠在這樣變革中找到我們自己的位置。不是說我們自己搞的，從80年代就搞電力電子，我覺得國家處于這樣的位置。
鐘興儒：現(xiàn)在我們中國進(jìn)口的集成電路，國家有一個統(tǒng)計計算，集成電路花的錢跟石油相當(dāng)?shù)?，我們現(xiàn)在要節(jié)約石油、少用石油，它是污染的，在風(fēng)力和光電發(fā)電，這樣我們直排放減少了。半導(dǎo)體里面的功率器件已經(jīng)二分之一以上的，過去是一半一半，這個非常重要。我們應(yīng)該向這個方向走，恰恰我們這個方面比較薄弱。
王玉富：電力電子這個學(xué)科恰好結(jié)合功率半導(dǎo)體，電子學(xué)系統(tǒng)，結(jié)合了電氣制造、甚至是機(jī)械制造邊緣學(xué)科。我從80年博士畢業(yè)以后一直從事這個學(xué)科，很遺憾自己孤軍奮戰(zhàn)這么多年，剛剛交了5.5萬專利年費，在國內(nèi)主專利很遺憾我們出現(xiàn)一些狀況。交直流轉(zhuǎn)化這個太重要了，電網(wǎng)也好、電動車也好都是交直流轉(zhuǎn)化，凡是AC、DC等，都離不開我的BPCD，桂局是理解非常深刻的，這個對世界非常重要的，特別是微電網(wǎng)。再有5年時間主專利就失效了，好在是我個人報的，還有系列的后續(xù)專利，有的我們晚交專利費擱置了。
鐘興儒：其實集成電路的那些人應(yīng)該負(fù)責(zé)任的。
王玉富：要搞集成的，這個本身對世界太重要的，交流直流轉(zhuǎn)化，并且要多次交直流轉(zhuǎn)化，小區(qū)里面供電里面交流直流供電短時間改變不了，發(fā)電很大一部分是交流發(fā)電，BPCD太重要、太重要了。
鐘興儒：前一段時間咱們電視片放的，我們現(xiàn)在中國直流輸電1000千伏，以前是500千伏，1000千伏是世界第一，別人達(dá)不到，其中里面就大量用IGBT。電力電子器件對電力工業(yè)像是人類的心臟，電力是血液，高壓輸電到每個機(jī)器都要去控制。電視片里面的我們的港口機(jī)械都是電力設(shè)備，需要電力電子去支持。美國人用國旗把從我國進(jìn)口的佛羅里達(dá)港口機(jī)械的商標(biāo)遮住，因為特朗普要在那里發(fā)表重視工業(yè)的演講，海灣風(fēng)很大把國旗吹起來就看到了中國標(biāo)牌，很沒有面子。這么一個事例，也說明美國人開始青睞咱們設(shè)備了，就是在電力電子方面的。
王玉富：我認(rèn)為碳化硅優(yōu)勢就是在輸配電方面。
廖顯伯：壓縮了很多層次，核心部件。
江德生：你搞變頻、升壓、降壓。
王玉富：整個共模干擾造成輸配電損害影響太大了。
鄭紅軍：目前CREE公司內(nèi)部做碳化硅晶片，要么在功率器件上做二極管，CREE公司內(nèi)部自己走的自循環(huán)是不是在LED有投入，做功率二極管方面少一點？
彭同華：CREE公司碳化硅襯底和功率器件總收入只有2.2億美金，重點在LED方面。
鄭紅軍：主要是LED，在高端上，1-3W，剛才講的200好像在一年前是穩(wěn)定化量產(chǎn)的200lm/W左右，目前應(yīng)該在300lm/W左右差不多了吧。
彭同華：300多l(xiāng)m/W是研究結(jié)果，研究結(jié)果藍(lán)寶石也有超過200lm/W的。
鄭紅軍：高亮度LED主要需求是在大屏幕上必須要，要用大功率的。常規(guī)是藍(lán)寶石，藍(lán)寶石差不多在150lm/W。
彭同華：是的。
鄭紅軍：發(fā)光效率是不是跟質(zhì)量、缺陷相關(guān)，缺陷方面可能藍(lán)寶石氮化鎵失配比較厲害，還有熱導(dǎo)率上方面的差異。
江德生：現(xiàn)在他們的日子不太好過，原來硅襯底比藍(lán)寶石便宜，有價格優(yōu)勢，現(xiàn)在藍(lán)寶石襯底價錢跟硅襯底價錢一樣。
發(fā)言人：藍(lán)寶石外襯片多少錢？
趙麗霞：2英寸差不多10美元左右。
發(fā)言人：硅2寸沒有那么貴。
趙麗霞：硅襯底在微電子和光電交叉融合有一個潛在的優(yōu)勢。
張 韻：藍(lán)寶石LED已經(jīng)做到180了。
趙麗霞：我們直接買就是196，就是商用的，調(diào)制帶寬也測了，白光很低，就只有幾兆。
張 韻：硅吸光，后續(xù)的比藍(lán)寶石復(fù)雜一點，這一塊也增加很多成本。
江德生：你原來的題目叫HB-LED指的是什么？
趙麗霞：高亮度。
李致潔：一瓦以上就可以叫HB。
趙麗霞：對，功率型是一種，現(xiàn)在還有微LED，中功率等等，由于它整個在室內(nèi)照明也有它的獨特優(yōu)勢，碳化硅在0.2、0.5用的比較多，可靠性有它的特點。
桂文莊：高亮度邊界在什么地方？
趙麗霞：如果尺寸小的時候肯定一顆發(fā)出來的光弱一點，一開始為了提高發(fā)光，增加面積，用1乘1。一般功率型都是1瓦以上，像3瓦都是功率型的。
桂文莊：高亮度應(yīng)該有一個明確邊界。
趙麗霞：2007、08年達(dá)到80 lm/W，這也是CREE等那個時候推進(jìn)應(yīng)用的時候。那個年代傳統(tǒng)照明還在質(zhì)疑，各方面不合適，后來發(fā)現(xiàn)一下就變了，有點應(yīng)接不暇。半導(dǎo)體這塊，比如說通信、能源，每次交叉，給出來的變革是一個顛覆性的，也會改變剛開始對整個理念的認(rèn)知。
王啟明：很高興，一個是聽了兩位年輕科研帶頭人做了很好的報告，看到了半導(dǎo)體的未來，沙龍一年才輪到一兩次，上次跟張書記提了建議，應(yīng)該所里做一個安排，所里年輕人都到這里做做報告，把離退休的請過來聽一聽你的研究方向。離退休的同志雖已離開第一線多年，但是他們有一個有利的方面，畢竟見多識廣，盡管不是非常前沿了，很難提出針對性的具體意見。但是當(dāng)局者迷旁觀者清，可以在方向上給大家提供參考意見，所以我建議像這種會老干部處把所長和副所長也請來聽一聽。
王玉富：現(xiàn)在院老科協(xié)給機(jī)會，一年能搞兩次。
王啟明：不光是半導(dǎo)體所，還可以邀請跟半導(dǎo)體方面比較相臨近的，比如說像通訊的、計算機(jī)的請一兩位來聽一聽，這樣交流對所里有很大的幫助。今天聽了報告覺得他們都很棒，很好。
第二個是，非常難得的跟老同志、老領(lǐng)導(dǎo)一起活動，我們有些不經(jīng)常見面的，像桂局我們很長時間沒見面了，差不多10年，很難得這個機(jī)會。
張 韻：在各位老師面前絕對是小學(xué)生，講話不敢當(dāng)，跟大家匯報一個我所知道的比較新的情況，國慶前我們一直期待了很多年的一個重點新材料研發(fā)重大項目，相當(dāng)于專項，像01、02專項的重大工程項目立項了。這最早黃昆先生提的，大概2011年、2012年起一直在向國家做匯報，據(jù)我所知國慶節(jié)之前通過了像國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)的匯報。是國家第一個在新材料領(lǐng)域的一個重大專項。里面有7、8類，很重要的一類是第三代半導(dǎo)體材料。重大專項一般是15年的，會支持到2030年，力度會比重點研發(fā)大一到兩倍的量級。我本人也參與了撰寫的工作，比較了解這個情況。這件事的意義還在于能調(diào)動國家很多資本投資力量。今年感覺很明顯，之前投資商不太關(guān)心半導(dǎo)體，特別是不關(guān)心材料領(lǐng)域，現(xiàn)在都會向我們咨詢這方面的問題、項目。感覺國內(nèi)有點風(fēng)起云涌，開始往這個方向投資的感覺，我覺得這個是最重要的結(jié)果，一個收獲。
咱們所對專項的醞釀參與很多，包括副所長、助理做的一些工作。剛才鐘老師說的我非常有感觸，后續(xù)咱們所的定位、迎接挑戰(zhàn)在這幾年還是非常重要的，在新形勢下不是一枝獨秀了，不是我們關(guān)起門來搞科研，我們面臨很多新形勢，現(xiàn)在可以從國外市場買到一些新技術(shù)，包括我們自己LED項目最后沒有非常明顯結(jié)果也是跟這個有關(guān)系，這種新情況下我們?nèi)绾螒?yīng)對，在國家立了項后如何體現(xiàn)我們的作用，這是非常關(guān)鍵的。
另一方面至少很欣慰的，我們在人才培養(yǎng)方面還是比較突出的，整個國內(nèi)這方面人才，包括畢業(yè)了不在我們所工作，應(yīng)該說開花結(jié)果，占了這個領(lǐng)域的半壁江山。下一步如何保持我們的作用，這個一定會向所領(lǐng)導(dǎo)轉(zhuǎn)達(dá)到，看看下一步如何把事情更好的做好。剛才王先生提的非常好，我是第二次來老科協(xié)沙龍，第一次是討論太陽能電池方面的。我也特別愿意來，我今天有一個培訓(xùn)，中午還要開車趕去。我為什么特別愿意來，想聽老前輩說的真知灼見，肯定都是真話；第二你們有這么多年整個業(yè)界經(jīng)驗，這是完整的故事。我們一些年輕科研人員只顧眼前東西，很少考慮長遠(yuǎn)的東西，老先生可以給我們很好的長遠(yuǎn)的例子，雖然背景和現(xiàn)在不一樣，但是和現(xiàn)在基本道理是一樣的，對我們整體長遠(yuǎn)發(fā)展有幫助的。王先生的建議也會向所長傳達(dá)到，能不能把論壇、活動擴(kuò)大化。不光是臺上這些人在講，下面還有研究生在聽。
桂文莊：今天聽了兩位年輕的專家給我們做的報告，講到了一個非常重要的事情，我們國家下一步產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵的技術(shù)。大家討論也是非常的熱烈，從技術(shù)本身一直討論到整個發(fā)展的戰(zhàn)略和我們國家在這些方面的前途，討論得非常好。
今天大家討論到技術(shù)轉(zhuǎn)化的問題。今天的環(huán)境已經(jīng)和十幾二十年前大不相同了。今天我們研究所要干什么，我覺得最重要的是要看到技術(shù)前沿在哪里，在我們用什么辦法來超越世界，來為我們國家企業(yè)發(fā)展提供新的技術(shù)、提供我們自主的技術(shù)，能夠使得我們變成真正的技術(shù)強(qiáng)國，不是老是在引進(jìn)別人的技術(shù)，要從這件事情入手。因此更加重視搞好基礎(chǔ)和前沿的工作，這是我們對研究所的要求。我們不能去重復(fù)市場上、產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)在做的事情，那我們做就沒有用了。但是這并不代表著我們不要重視應(yīng)用了，我們就管前沿，就管技術(shù)，做點文章出來，絕對不是這樣的，而是要想到我們技術(shù)怎么能夠引領(lǐng)國家的發(fā)展。所以我覺得我們研究所恐怕要更加開動腦筋在新的環(huán)境下怎么樣把工作做好，既要搞好技術(shù)前沿，這是我們進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)新的源泉。同時我們還要注意我們研究出的技術(shù)要用，怎么用？這個應(yīng)用也和我們十幾二十年前不一樣了，那時候我們不得不去找一點資金、一個小課題，搞一點錢，搞一個小作坊把東西推出去，這樣不行的。我們半導(dǎo)體方面的應(yīng)用，一般投資都是比較大的，一定要和企業(yè)界非常緊密的結(jié)合。如何把我們和企業(yè)界密切的結(jié)合，把社會的投資能夠吸引到這方面來真的要動腦筋。所以對我們來說，下一步所的發(fā)展要從這兩個方面搞。一方面基礎(chǔ)前沿，抓緊抓好，一頭要把前沿真正好的技術(shù)和企業(yè)密切的結(jié)合起來推向應(yīng)用。
另外一方面今天講到的技術(shù)應(yīng)用的問題。我覺得，碳化硅到底該不該做LED，到底是藍(lán)寶石襯底LED有前途還是硅上的LED有前途，這個不好下結(jié)論。一方面是技術(shù)因素，另外一方面是價格因素。成本和價格是非常非常重要、非常非常關(guān)鍵的事情。但是也不見得說現(xiàn)在貴將來就一定沒有前途。碳化硅LED現(xiàn)在說是貴，比硅要貴10倍以上，如果過些年成本下降一些，加上壽命更長等綜合算起來，有沒有前途？因為市場有這個規(guī)律，要是現(xiàn)在賺不了錢，資金鏈一斷就完了，所以這個到底要怎么樣做，是要從市場考慮的。這個事情就需要我們科研人員和企業(yè)家密切的結(jié)合，密切的聯(lián)系，從不同的方面，從技術(shù)、市場、價格、成本、發(fā)展可能性等等各方面去權(quán)衡才能夠得到比較正確的結(jié)論。這些事情都值得我們進(jìn)一步深入研究探討的事情。希望我們半導(dǎo)體最后研究的技術(shù)真正能讓我們國家用上，給我們國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供核心技術(shù)，我們將來走到什么地方可以說這個是我們半導(dǎo)體所出來的，我們國家搞出來的。光有技術(shù)不行，一定要和企業(yè)結(jié)合，這是我的一點感想跟大家分享。
