[科学技术]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

“走进实验室”的开场白

你知道你的房子是否健康吗？你知道会培育哪些异国花卉吗？你知道机器人在天空中能扮演什么角色吗？.....如果你说“技术改变生活”，你的第一印象还是在点餐外卖和移动支付上，那么我们就敲敲小黑板——请注意，一些你不太懂的技术正在改变你的生活，而这些技术是在实验室里诞生的。

现代科学技术的快速发展为社会生产力和人类文明的发展开辟了更广阔的领域，有效地促进了整个国民经济的发展。实验室是一个神奇的地方，在那里你可以预测未来。为此，《中国科学》的记者们以面向国民经济主战场为使命走进了一批特色实验室，把大家都带进了一个“先知”。

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

《中国科学》记者穿着隔离服，戴着头罩和口罩，走进北京第三代半导体材料与应用工程技术研究中心(以下简称工程中心)实验室，看看什么是第三代半导体材料。

第三代，牛逼！

所有进入实验室的人都必须先经过淋浴室，实验室的门只有在附着在身上的灰尘都被吹走后才能打开。

门打开后，一张led材料研究流程图映入眼帘。根据这一过程，第三代半导体材料可以用氮化镓生产，并可以“转化”为用于道路、家庭、电视和投影仪的led器件。

实验室挂led材料研究流程图(倪思杰摄)

氮化镓是半导体材料被列入“第三代”的标志。在中国半导体行业，人们传统上将半导体材料分为三代。第三代半导体材料以元素半导体为代表，如碳化硅(sic)和氮化镓(gan)。“可用于半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等诸多领域。”工程中心主任王俊喜说。

2014年，在北京市科委的支持下，工程中心在中科院半导体照明R&D中心的基础上正式成立，旨在解决第三代半导体产业的共性关键技术，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的平台和示范，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，转型！

在实验室里，研究人员像记者一样“全副武装”，来回操作仪器，偶尔互相交流，讨论技术操作事宜。

在基础材料技术研究部，一位年轻的研究员拿着红色和黑色的电极，测试直径为两英寸的圆形薄膜材料。这种圆形材料是基于蓝宝石的氮化镓发光二极管结构材料，它是由蓝宝石作为衬底，上面有几十个氮化物层。

七个点均匀分布在材料的直径上。研究人员将红色电极固定在直径的一端，黑色电极沿着直径接触材料上的“点”，发出蓝色或绿色的光。点燃后可以初步判断材料性能良好。

实验者正在测试膜材料的性能(倪思杰摄)

测试膜材料(倪思杰摄)

然后，记者拿着材料来到芯片室。在这里，材料将被送到一个名为“金属有机化学气相沉积”(mocvd)的设备，成为“led外延片”。

Mocvd是加工和制备半导体材料和薄膜的重要工具。"目前，工程中心基本可以实现mocvd关键设备的国产化."工程中心副主任易小艳介绍。

经过台面刻蚀、氧化硅保护、减薄抛光、镜面制备等“经验”。，我们刚才看到的薄膜材料变成了仪器附近蓝色托盘中的led外延片。

经过一系列的工艺，薄膜材料变成了一个非常金属的led外延片(倪思杰摄)

这些led外延片看起来像金属片，是直径为2英寸的圆板。外延片上密集覆盖着1000多个1平方毫米大小的芯片。每个芯片的性能可以从计算机上直观地显示出来。如果芯片再小一点，这个两英寸的led外延片最多可以生产4万多个小芯片。

然后经过激光划片、薄膜膨胀等处理，led外延片几乎和原来一样薄，上面的小芯片相互独立。“每一个1平方毫米的小芯片都可以做成1瓦的灯泡，亮度相当于10瓦的白炽灯。”易小艳说。

外延膜“瘦身”后变薄，小芯片也切了(倪思杰摄)

让它发光吧半导体！

最后一步，申请。实验者将小芯片粘合到支架的指定区域，形成热路径或电路径，然后涂上荧光粉和第二层胶水，将小芯片封装成成品。这些成品是制造led灯或显示屏等医疗产品的关键部件。这些组成部分正在向与民生相关的领域发展，如医疗、通信和农业。

成品(倪思杰摄)

在北京，工程中心以快繁植物厂生产的非洲紫罗兰、槲寄生蕨类等材料为照明对象，设计了10种灯具，为三家试苗公司节约了70%的能源，增加了20%的产量。在东北，工程中心为大田作物设计了照明灯具，弥补了东北作物照明不足的问题，应用于东北农业种植者。

最终变成了一盏灯，可以用来充菜的光。据说不同的蔬菜对光的颜色有不同的“口味”偏好(倪思杰摄)

王俊喜介绍说，目前工程中心的研究重点是深紫外固态光源技术、超高能效技术、电力应用技术和智能光源技术等领域。

“深紫外光人眼看不见，但可以用来杀菌消毒。未来可用于污水处理、食品加工、医院等行业。”王俊喜说，估计这项技术未来的市场价值可以达到1000亿元。

记者已经过了技术瘾

而且在未来，第三代半导体材料可能会给我们带来更大的惊喜。如果有一天，你发现车灯成了传递信号的通讯工具，在开车时遇到意外情况也不用迷茫，那大概就是第三代半导体材料的智慧了。(结束)