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第三代半导体是怎么变“灯”的?

 
 
第三代半导体是怎么变“灯”的?  
——走进北京市第三代半导体材料及应用工程技术研究中心  

“走进实验室”开栏语

你知道你家的房子健不健康吗?你知道有哪些奇花异草将被培育出来吗?你知道机器人在天上能发挥什么作用吗?……如果谈及“科技改变生活”,你的第一印象还停留在订餐外卖、移动支付,那么,我们就要敲敲小黑板了——请注意,一些你不太明白的技术,正在改变着生活,而这些技术,就是从实验室里诞生的。

现代科技的突飞猛进,为社会生产力发展和人类的文明开辟了更为广阔的空间,有力地带动了整个国民经济的发展。而实验室是一个神奇的地方,在这里,你可以预知未来的样子。正因如此,《中国科学报》记者走进了若干个以面向国民经济主战场为己任的特色实验室,带大家一起变身“预言家”。

“第三代半导体材料?是收音机吗?”提到半导体或第三代半导体材料,这是大多数人的第一反应。

穿上隔离服,戴上头套、口罩,《中国科学报》记者走进北京市第三代半导体材料及应用工程技术研究中心(以下简称工程中心)的实验室,看一看第三代半导体材料到底是什么?

第三代,厉害了!

所有进入实验室的人都要先通过风淋室,待身上附着的灰尘都被吹净后,实验室的大门才能被打开。

大门打开后,一张LED材料研究流程图映入眼帘。按照这个流程,就可以用氮化镓把第三代半导体材料生产出来,并“变”成可用于道路、家庭、电视、投影仪的LED器件。

第三代半导体是怎么变“灯”的?

实验室里挂着的LED材料研究流程图(倪思洁摄)

氮化镓,是半导体材料被列入“第三代”的一个标志。在我国半导体行业里,人们约定俗成地把半导体材料分成了三代。第三代半导体材料以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等元素半导体为代表。“它可以用在半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等诸多领域。”工程中心主任王军喜说。

2014年,工程中心由北京市科委支持,在中科院半导体照明研发中心的基础上正式组建,目的是解决第三代半导体行业共性关键技术,建立基于自主知识产权的氮化镓光电器件和功率器件技术平台和示范,形成第三代半导体技术研究和产业人才的培养基地。

新材料,变身!

实验室里,和记者一样“全副武装”的科研人员来来回回地操纵着仪器,时不时会相互交流讨论一下技术操作事宜。

在基础材料技术研究部,一位年轻的科研人员正拿着红色和黑色的电极,测试着刚做出来的直径两英寸大小的圆形膜材料。这个圆形材料是蓝宝石基氮化镓LED结构材料,即以蓝宝石作为衬底,上面铺了几十层氮化物制成的。

材料的直径上均匀地分布着7个小点,科研人员把红色电极固定在直径的一端,黑色电极沿着直径触碰材料上的“点”,发出蓝色或是绿色的光。亮了,就可以初步判断材料的性能是好的。

第三代半导体是怎么变“灯”的?

实验人员正在测试膜材料性能(倪思洁摄)

第三代半导体是怎么变“灯”的?

被测试的膜材料(倪思洁摄)

接着,记者跟着材料一起来到了芯片室。在这里,材料会被送进一台被称为“金属有机物化学气相沉积”(MOCVD)的设备,变成“LED外延片”。

MOCVD是加工制备半导体材料、薄膜的重要仪器。“目前,工程中心已经可以基本实现MOCVD关键装备的国产化。”工程中心副主任伊晓燕介绍。

经历了台面刻蚀、氧化硅保护、减薄抛光、反射镜制备等环节的“历练”,我们刚刚看到的膜材料就变成了仪器附近一个蓝色的托盘里的LED外延片。

第三代半导体是怎么变“灯”的?

经过一系列工艺,膜材料变身成很有金属气质的LED外延片(倪思洁摄)

这些LED外延片看起来像金属片一般,也是直径2英寸的圆板。外延片上密布着1000多个1平方毫米大小的芯片。每一个芯片的性能都可以从一台电脑上直观地显示出来。如果芯片再小一些,这种两英寸的LED外延片,最多可以制备出4万多颗小芯片。

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