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氮化镓、碳化硅的HB-LED技术研究及发展

主办单位: 中国科学院老科协  中国科学院半导体研究所
承办单位:中科院老科协半导体所分会,民主同盟中科院半导体所支部,中科院半导体所离退休办公室
举办时间:2017-10-13       【字号: 访问量:

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简介
主持人致辞
主旨报告
邀请报告
交流与讨论
主要专家简介:
  1. 王玉富(主持人):中科院半导体所高级工程师,院老科协半导体所分会理事长
  2. 赵丽霞(主旨报告):中国科学院半导体研究所研究员,中国科学院大学教授。2005年于英国诺丁汉大学获博士学位,后到英国剑桥大学材料冶金学院氮化镓研究中心工作。国家半导体照明标准专家组成员,北京照明学会计量测试专业委员会副主任,全国微束分析标准化技术委员会表面化学分析分技术委员会委员。目前主要致力于光通信用新型氮化物光电器件及可靠性方面的研究。
  3. 彭同华(邀请报告):北京天科合达半导体股份有限公司常务副总经理兼技术总监,中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟副理事长,北京电力电子学会理事,中科院物理研究所研究生导师。十多年来,系统开展了碳化硅晶体生长和加工关键技术开发,获得发明专利26项,推进了我国碳化硅产业进程。2014年入选北京市"科技新星计划",北京市海淀区"海英人才"。
  4. (以下按姓氏笔画排列)
  5. 马  营:国家光伏扶贫委员会秘书长
  6. 王启明:中科院半导体所研究员、中科院院士
  7. 王德斌:广州威德焊接设备厂总工程师
  8. 向贤碧:中科院半导体所高级工程师
  9. 刘巽琅:中科院半导体所研究员
  10. 李致洁:中科院老科协副理事长、研究员
  11. 张  韵:中科院半导体所研究员、所长助理
  12. 张志林:中科院老科协理事会顾问、原副理事长
  13. 张建孝:山东共济股权投资基金会董事长
  14. 林耀望:中科院半导体所研究员
  15. 郑一阳:中科院半导体所研究员
  16. 郑红军:中科院半导体所高级工程师、院老科协半导体所分会理事
  17. 钟兴儒:中科院半导体所研究员
  18. 种  明:中科院半导体所研究员
  19. 桂文庄:中科院老科协副理事长、研究员
  20. 焦景华:中科院半导体所研究员
  21. 谢  堃:济南市发改委常务副主任
  22. 廖显伯:中科院半导体所研究员
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【简介】

 

高亮度半导体发光二极管(HB-LED)是半导体照明的关键器件。基于蓝宝石衬底的氮化镓基LED具有成本较低,适合于大规模生产等优势,应用最广泛。在蓝宝石衬底上外延生长的氮化镓由于晶格失配等原因,会产生应力,并导致比较大的位错密度。沿极性面生长,又会使电子空穴波函数发生分离,从而导致发光效率的降低。因此为降低位错密度、提高发光效率,在蓝宝石衬底外延氮化鎵的HB-LED的技术成为当前研究的重要方向。碳化硅具有高热导、耐高压、高饱和电子漂移速率等优异性能,与氮化镓晶格的失配率远优于蓝宝石,但是成本较高,在高亮度LED高端应用上有一定优势。本次沙龙就这两种HB-LED的技术和发展前景进行了讨论。

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【主持人致辞】

 

王玉富:现在学术沙龙活动开始。我们非常高兴地邀请到赵丽霞研究员来做主旨报告。她报告的题目是"蓝宝石衬底外延氮化鎵的HB-LED技术研究及发展趋势";我们还邀请到了北京天科合达半导体股份有限公司的彭同华研究员,他报告的题目是"碳化硅衬底技术进展及在LED领域应用"。欢迎各位专家和领导参加今天的学术沙龙活动。下面报告开始,先请赵丽霞研究员作报告。

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【主旨报告】

 

赵丽霞:蓝宝石衬底外延氮化鎵的HB-LED技术研究及发展趋势

1.蓝宝石衬底外延氮化鎵的HB-LED中的科学及技术问题

氮化镓是直接带隙的半导体材料,在光电应用方面具有独特优势。基于氮化镓的HB-LED对于通用照明来说,其核心问题是发光效率。其中外量子效率主要取决于三个层面的因素,内量子效率、光提取效率,还有封装方面的荧光转化等效率,而且每个环节都息息相关。

目前生长氮化镓基的HB-LED,常用的衬底包括:蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓。其中,蓝宝石衬底的应用还是比较广泛。在蓝宝石衬底上外延生长的氮化镓由于晶格失配等原因,会产生应力,并导致比较大的位错密度。沿极性面生长,又会使电子空穴波函数发生分离,从而导致发光效率的降低。

 

2.蓝宝石衬底外延氮化鎵的HB-LED技术研究现状

为了降低位错密度,早期采用横向外延技术,但是有一定局限性。随着技术进步,目前主要采用各种图形衬底,不仅可以缓解应力,提高晶体质量,而且可以提高氮化镓和蓝宝石之间的反射。在生长阶段不需要掩膜,不间断生长,大大简化工艺。

材料外延生长主要通过MOCVD技术。LED一般包括缓冲层、n型层、p形层、电子阻挡层等结构。通过LED量子阱、电子阻挡层及组分调控等的结构设计,可以改善载流子分布,提高发光效率,降低Droop效应。

LED量子阱中发出的光子,在出光的过程中,由于吸收以及氮化镓折射率比较大等问题,会使得大量光子在传输过程中产生损失,难以出射。通过透明电极,表面粗化,光子晶体等技术,可以减少吸收,改善光传输行为,提高光提取效率。

封装方面有荧光粉,特别是散热。半导体芯片热阻不大,但受到其他封装材料的影响。因此,如何有效降低热阻,对大幅度提高LED寿命和效率也至关重要。

 

3.蓝宝石衬底外延氮化鎵的HB-LED发展趋势

通过科学问题探讨、技术改进,过去的十几年,发光效率得到了迅速发展,2014年三位日本科学家由于在蓝光方面的杰出贡献,获得诺贝尔物理学奖。现在,该领域也已开始向超越蓝光和超越照明方面发展过渡,比如在紫外、单芯片白光、植物照明等领域都引起人们的关注,开展了相关的研究工作。

 

第三代半导体材料在微电和固体电子学交叉领域也有独特的优势,特别是在信息、能源方面。光通信方面,和传统照明不一样,LED基于半导体,除了照明之外,还可以实现短距离无线通信,目前我们通过量子阱的设计,已经可以达到700MHz,光功率也可以满足自由空间光通信的需求。能源方面,通过对不同掺杂的氮化物进行腐蚀,还可以制备横向多孔材料,不仅可以显著提高光水解性能,稳定性好。除此之外,基于该结构的MSM氮化镓探测器,在紫外探测方面也具有明显的优势。

总的来说,以氮化物为代表的第三代半导体技术的发展"日新月异",我们也将紧跟新时代、新需求,勇攀科技高峰。也希望大家多多支持,我们通力合作,谢谢大家!

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【邀请报告】

 

彭同华:碳化硅衬底技术进展及在LED领域应用

1.碳化硅衬底技术研究进展

碳化硅具有高热导、耐高压、高饱和电子漂移速率、抗辐射、化学稳定等优异性能,主要应用在电力电子、高亮度LED、微波器件三大领域。

碳化硅衬底的生长方法有三种:一是物理气相传输法,该技术相对成熟,性价比高;二是高温化学气相沉积法,优点是原料可持续供应,可精确控制原料中的碳硅比;三是液相法,尚处于研究阶段。

 

PVT法生长碳化硅存在以下技术难点,一是晶体生长温度高达2300℃,直接精确控温困难;二是很难获得单一的碳化硅晶体结构;三是生长时原料易升华为非同成份其他物质;四是熔体法采用的缩径-放肩技术不适用于气相法碳化硅晶体生长,气相法单晶直径放大技术需自主研发。

 

目前国际上使用的碳化硅衬底尺寸主要为4寸和6寸,2017年8寸产品已经展示出来了,但真正投入使用还需要2年时间。

碳化硅晶体生长时如果台阶过宽,晶型沿 [0001] 方向的排列信息反应不出来,会在台阶上自发成核,发生晶型转变。研究发现,当晶体表面不光滑、不平整时,易发生多型相变,4H会发生6H和15R相变。另一方面晶型转变与生长室气氛相关,通过控制生长室气氛解决了多型相变技术。

 

研究发现,层错缺陷平行于C面,且层错缺陷密度与生长气氛有关,氮掺杂浓度越高,晶体中的层错密度越大。

目前工业级碳化硅衬底微管密度小于0.2个/cm2,层错缺陷基本消除,基平面位错工业级衬底小于800个/cm2。经预测,2019年碳化硅衬底市场约为3.5亿美金,主要包括电力电子和微波领域,加上LED等其他领域应用,大概为8亿美金。

 

在我国,碳化硅衬底已经从实验室的研究走上了产业化的道路。以中科院物理所的技术为基础成立的天科合达公司已成立11年,突破了具有自主知识产权的碳化硅晶体生产设备研制、微管缺陷控制、多型相变等产业化关键技术。公司主要产品为2、3、4英寸导电6H碳化硅晶片和2、3、4、6英寸导电4H碳化硅晶片。目前总部设在北京市海淀区,与中科院物理所建有前瞻研发中心,一个生产基地在大兴,主要从事工艺稳定性验证和产业化,产品为4寸和6寸碳化硅晶片;另外一个生产基地在新疆,主要从事晶体生长的产业化。

2、碳化硅衬底材料在LED应用

LED领域有四种衬底材料,分别为蓝宝石、碳化硅、硅及氮化镓,其中氮化镓衬底同质外延仅限于研究,尚未实用化。目前市场最大的是蓝宝石衬底,其次是碳化硅衬底,最后是硅衬底。氮化镓衬底性能最好;目前蓝宝石性价比最高;碳化硅性能比蓝宝石好,但价格也比蓝宝石贵;硅衬底性能较差,但价格最便宜。

 

碳化硅衬底具有很多优势,其晶格失配小,有助于提高外延材料质量;热导率高,适合于大功率、高亮度芯片;衬底导电,可制备垂直结构发光器件;高发光效率,一个碳化硅基LED约相当于3个蓝宝石基LED发光强度。

由于碳化硅与氮化镓外延层间存在晶格失配和热膨胀失配,导致高翘曲度和高位错密度。另外随着碳化硅衬底尺寸加大,外延均匀性差,需优化包括温场和气流场。

2017财年美国CREE公司照明产品收入7亿美元,LED产品收入5.5亿美元,WOLFSPEED收入2.2亿美元,合计约15亿美元。量产产品发光效率超200LM/W。为了降低碳化硅成本和扩大碳化硅市场规模,CREE公司2014年到2017年主要发展6英寸产品。

因碳化硅衬底价格较贵,在LED领域主要应用在中高端领域,包括碳化硅LED道路示范线、道路照明、重要的室内照明,中低端领域仍以蓝宝石衬底为主。

此外,美国CREE公司和三安光电于今年合资成立CREE VENTURE LED公司,其中CREE占51%,三安占49%。

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【交流与讨论】

 

李致洁:LED发光效率跟温度是怎样的关系?

赵丽霞:比如说刚才为什么说散热问题。如果说温度比较高的话,由于非辐射复合、还有俄歇复合等,会随着温度增加增高,降低发光强度。一般情况下希望温度低一些,这样对发光有所改善。而且如果LED长时间在发热状态下工作的话,高温对寿命和可靠性都会受到影响。我们一般说尽量减小热效应,量子阱的结温,这样不仅提高可以效率,而且也可以提高可靠性。

王启明:就算半导体要突破或者是响应的话,难度比较大,为什么能达到50G速率。

赵丽霞:一开始看50GPS好像挺吓人的,当时是我们做的,我们提供的是单颗器件,40多兆,单通道传输大约为400多M,系统里有多路,多颗LED器件,最后整个系统传输可以达到50GHz。现在我们已经可以提高到700多兆,所里也在做相关的工作,单路一个速率可以达到625M。我们希望通过一些方式可以达到1G,在自由空间,定位和通信方面都有它独特的优势。

王启明:单核可以提高到1G的话,在光应用上就很有意思。第二个问题LED来做通信的话,它的不可替代性和应用在哪?

赵丽霞:因为刚开始沟通的时候,这个报告是做一个HB-LED的报告,如果做光通信也可以讲差不多快一个小时,就可以介绍LED在光通信的优势,首先和传统RF相比,没有电磁辐射,不受频谱的限制,特别是军工安全方面,在受到电磁干扰的场所,比如说航空、医院等地用这种通信,还有水下通信、定位等等方面,短距离光传输都具有它独特的优势。

王启明:贵州做这个路灯通讯的时候,我跟他们讲没有必要,因为现在手机网络那么发达了,但是有一个不可替代性,比如说要追踪恐怖分子的话,定位这一块就不可替代了。

赵丽霞:为什么刚才说做发光和探测一体化呢,比如说USB整个鼠标里面。如果器件发光和探测都坐在一起的话,小型化也是发展的趋势,和互联网结合等都有非常大的应用市场。

钟兴儒:我觉得我们所应该好好组织应用方面的事,LED也十几年了,我挺替我们所担忧的,前段时间大功率电子器件报告时很多东西别人都做了。最近我在写一个报告,我觉得写的很差,还停留在蓝宝石上面,对新技术没有很好写,比如说硅上面做外延,这是国际上的共识,要想减成本,做电子器件必须要在硅上做外延,国外取得了很大进展,在中国生产方面有很大进展,南京专门生产硅上面氮化镓的片子了,我们走的太慢了,跟不上发展。

我们要有紧迫感,半导体无论哪个器件研究已经处于成熟期,一旦抓住就要向应用方面扩展。你现在的这个课题我很欣赏,像水的电解问题,光通讯的问题,就像刚才王所长说的,找到一个不可替代的方向抓紧做,而且我希望所领导要去布置这件事情。有苗头的就要做扩展,因为很成熟了,我听领导说我们一年几十个亿,我觉得挺好了,后来我下面一打听有的是咱们的10倍,我觉得我们应该好好发展,我希望所里领导好好抓抓应用,组织各方面的人才,我们所人才太单一了,物理方面我们是强项,人才方面我们不是强项,应该要把应用上面搞上去。

赵丽霞;就像今天做这个报告之前,沟通之后做蓝宝石衬底的大功率LED方面的报告,它的发展是什么情况。在2007,08年的时候,蓝宝石基HB-LED发光效率就达到80每瓦时,整个全球开始走向应用。那么走向应用时,国内的科研机构应该怎么处理、面对。随着蓝宝石基LED技术成熟,在照明方面有它自己的优势。硅在2007,2008年国外加大研究力度,那个时候蓝宝石已经开始进入市场,国外硅的技术也不断发展,当时我们国家也有部署。刚才听了老师说的这种恨铁不成钢的感觉,我也感到责任重大,针对一些关键问题,抓紧时间做。

李致洁:第二个问题,小工艺的问题,一个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,现在通过光刻的办法每个LED芯片是圆形还是整个做的切割?

赵丽霞:2英寸蓝宝石制作小功率可以达到上万颗,如果功率型器件的话,可以做成2000多颗,前面做芯片整个工艺,封装过程中进行分选、切割。

李致洁:如果切割的话边缘,每个LED的P层、中间有过渡层,下面有N层。

赵丽霞:你说的中间过渡是指量子阱?

李致洁:你做切割做很多,LED芯片固定了它的位置、垂直结构,还有一种整片都去外延一个一个出来,然后你切割,切割以后每一层的界面就暴露出来,对性能有什么影响?

赵丽霞:如果处理不好肯定对性能有影响。首先是外延,2英寸或4英寸进行外延生长,所有工艺流程走完之后,进行封装。如果对于蓝宝石的话,蓝宝石非常厚,导热、导电性要进行减薄,先划裂,然后是需要给它进行相关的保护,保护完以后经过分选。

李致洁:我国工业化芯片生产处于什么状态?

赵丽霞:咱们实事求是的说,基于蓝宝石LED的话,首先第一梯队是美国或是日本的。第二个是台湾的蓝宝石衬底上面生长还可以,大陆产业界还稍微落后,不过一直是一个加速的过程,毕竟我们中国投入蓝宝石生长的LED是2003年半导体工程启动以后才开始的,其他国家都是从90年代,我们国家是2003年之后才开始起步,发展有一个过程。

江德生:刚才说碳化硅材料可以从新疆很好的获得,碳化硅用什么原料?

彭同华:用硅粉和碳粉合成,新疆硅粉比较便宜,新疆也有单晶硅的企业,碳粉我们目前还在进口,用硅粉和碳粉在新疆合成,一方面硅粉价格较低,另一方面合成碳化硅粉时电价较便宜,使得我们的原料整体成本比较低。

王启明:做什么事都要有一个不可替代的目标,有所为有所不为。我们做LED有很多用途,我觉得作为一般照明来讲LED亮度最终还是有限的,要从成本和习惯来讲顶多跟现在的白炽灯差不多,要想法发挥它不可替代的作用。你刚才讲碳化硅,作为普通衬底来讲,应该还有硅。将来应该两种衬底,蓝宝石最终是要淘汰的,碳化硅要做高亮度的LED,在哪里?如果商用角度来讲要便宜、兼容性,要选择硅,硅的话国家在硅衬底的氮化镓LED是江西的发明,这是很成功的,所以前年得了国家发明一等奖。要讲究便宜,碳化硅我知道成本还是比较高的。那么我觉得将来做LED做室内通讯没有意义,你说我到老远打个电话来灯亮了,我的冰箱什么都自动开了,这个意义不大。你要碳化硅的话必须高亮度,高亮度包括大屏幕显示没有它不行。硅应该做什么?我觉得硅不一定要高亮度,但是必须跟硅的处理器兼容,我在硅片上面光源不一定很亮,做安保或者是反恐用,半导体所四周都有这个灯,现在通讯只是实时报道信息,我们这样的话不仅实时还实地,要装反恐的话,你跑那个地方路灯就告知了,如果能跟硅一起的话是得天独厚的,我们的追求在普通商用灯泡的话要适可而止。

我"瞎"提一个在石墨烯上面做氮化镓,石墨的衬底,如果用石墨价钱很便宜,如果能做到在国际上还是原创性的突破。

钟兴儒:我对碳化硅非常的关注,听到你的报告我很高兴。

桂文庄:三安光电是什么企业?

彭同华:是国内最大的LED企业。CREE是美国公司,做碳化硅衬底的LED,三安光电是国内的LED企业,主要用蓝宝石衬底,这两个公司成立合资公司,合资公司设在国内。因为三安成本控制比较好,产业规模大,资本雄厚,但很难进入美国公司,CREE成本没有很好竞争力,但在美国市场有很好的渠道,就各取所需成立合资公司。

钟兴儒:你们取得成就是非常令人鼓舞的,我高度的赞赏,你刚才讲到外延好像是作为一种方法,是器件的工艺。我觉得你们应该在这个基础上向器件发展,CREE也是这样做的,也是做器件,你刚才说做LED我跟王院士一样觉得太不值了,就是碳化硅二极管能做出来非常了不起,而且应用非常广。现在开关电路里面,除了开关器件旁路就是碳化硅二极管,用这个东西就是很了不起的事。希望你们马上开展气相外延工作,因为是做薄层的,第一步就做二极管,然后电力电子器件,我看你们这样的劲头、进展一定会成功。

彭同华:谢谢,我们现在主要做衬底这一块,我们也希望能够往下延伸,产业确实投资太大,包括外延、器件,每个环节投资都很大,衬底我们做了10年时间,衬底跟国外仍然有点差距,国外比我们早20年产业化运作。另外外延、SBD器件又是很大一笔投资,包括人才都很难的。

钟兴儒:我们所很早就开始从事研究,你可以从基础慢慢做起。

江德生:在清河是不是有一家企业在做碳化硅二极管。

彭同华:泰科天润在做碳化硅二极管。

江德生:我们有一个博士生在做碳化硅二极管。

钟兴儒:如果大功率的外延片,你做单片外延是不困难的。

王玉富:大家可以想象一下如果半导体有一个天科合达会是什么样子?可能是钟老师很多理想在半导体所天科合达实现了。

郑红军:半导体所在碳化硅衬底上这方面前期工作做的少一些,半导体所在外延、器件这部分应该说有非常先进的水平。孙国胜也和天科合达有合作,包括张峰那边,这也是我们半导体所在碳化硅外延工作。接着彭博和赵博讲完了,其实LED这块李致洁老师在前几次关于制定2017年沙龙计划时,曾经给我们很多建议,国家从2016年开始,从"十三五"规划看,对半导体照明这块做出了很大支持,要做一些突破。LED来看半导体照明光源可以替代我们传统的,优势在于体积小、寿命长,每个寿命可以做到10万个小时,对环保、国家节能减排都有好处。在LED发光材料上,发光颜色和效率可能跟材料有关。现在了解现在广泛使用红光、绿色和蓝色,氮化镓方面主要是在蓝色等。

但是在这里面我们今天讲的主要是蓝宝石、碳化硅,刚才在讲的时候我思考几个问题,这几个材料在发光效率上蓝宝石可以做到150lm/W,碳化硅可以做到200lm/W,在发光效率上确实体现差异。在物理基础参数上体现了差异,比如说跟氮化镓外延,从晶格匹配上,碳化硅上长氮化镓确实好一些,蓝宝石失配大一些,直接影响外延的质量。另外导电性、热导率也是有差异的。

蓝宝石上氮化镓在中低端用的比较多,碳化硅上氮化镓在高端,发光效率比较高的。我也在思考,尤其钟老师讲的,究竟今后的发展,碳化硅上的氮化镓如何能够像蓝宝石上的氮化镓在整个市场,产业化市场上,尤其高亮度的需求量上比较多,涉及到成本问题,产业链不完善的问题,技术的瓶颈等,这些问题还是希望开会的两位博士这方面,为我们国家在发展方面多在技术上和方向上多做些工作。我们半导体所老科协这些人希望多听听你们这方面的信息,也希望这方面多给大家做贡献。

王玉富:王老师刚才重点强调,不是说一般的东西我们不搞,一般东西是要搞的,但是特色的、主导的、重要的东西我们要优先搞,什么东西具有不可替代性,充分发挥我们LED特点的东西。比如LED本身发的就是紫外光LED就可以直接利用,如果作为印刷、颜料固化恰好有这样需求,目前大部分都是管灯,它的效率是百分之十几的样子,可能是一个重要的发展方向,世界上很重视,都在做,已经进入产品开始推广阶段,但是还有很多很多问题,要真正抓住这样的机会,现在全世界百分之七十到八十的印刷业务都进入我们广东生产了。

王德斌:我们在广州公司就是做UV灯,就是汞灯,高压汞灯。用于一分钟2万个可乐杯、皮子、木地板等的印刷机。UV灯这个东西有什么特点,在中国我是第一个2008年把它从传统变压器转成电子变压器,2008年以前全是变压器,一个变压器串连一个电感。说LED照明节能,只节灯泡钱,跟工业应用相比差太多了。比如说油漆桶、可乐杯印刷,需要几台机器,每个20多千瓦,效率只有5到10%,广谱的,可利用的就是单一波长395nm或者是420nm,油墨决定的。我们印刷就是喷油墨,然后过去就干了。假如用LED纯粹做UV紫外线就用395nm,油墨需要什么它就给什么。500瓦就搞定。

王玉富:有21千瓦与500瓦的巨大差别。

王德斌:目前情况下我们客户LED、UV也是在中国做新的产业化,2020年就不允许采用有污染的汞,因为传统的灯管如果报废了汞就在空气中,对环境是有污染的。所以不允许采用灯管式的。这是北京邮电学院做的,主要印刷业为主。日常生活中所见到的任何东西,凡是印刷相关的,大都不是红外线固化了,全都是UV固化的。LED UV有一个毛病衬底容易老化,发光的紫外线是高能量,很容易衬底就老化了,我们在做什么?我们搞水冷,通水冷却,在工艺上还有很多简化的东西。我们认为UV独立的光谱,这个市场前景很大。1厘米发光长度是80到200瓦,印刷大的话,最长的是2.4米,全部是UV,因为不用等待,马上生产、马上打包,直接出货。包括平常用的标签纸都是UV,UV LED使用是很好的,希望你们能解决这个问题。

刚才钟老师讲的问题碳化硅太贵,我用功率管,普通的IGBT用75度就可以了,喜欢用高一点的话,体积减小,减小很多。刚才钟老师说的很对,碳化硅做的东西能不能材料价格降下来,温度升上去,我们用这种电子元器件就非常喜欢。

彭同华:碳化硅这块确实价格比较高,同样尺寸衬底碳化硅和硅相比可能高于10倍,正是因为这个问题,整个碳化硅产业界都在想尽办法降低碳化硅成本,目前还仍然需要时间积累,包括规模效应,技术提升,单位产出。碳化硅目前这块性能很明显,无论是做LED、电力电子也好,做LED性能好、做电力电子性能也好,在高端领域也在用碳化硅,包括新能源汽车充电桩也在慢慢占领硅的市场,轨道交通这块也在做工作。LED这块做的慢有原因,CREE公司做的比较早,一方面做的比较早,技术壁垒比较高,核心技术比较强。但是CREE公司主要是96、97年申请专利比较多,今年大致是一个分水岭,陆续很多专利到期,这个是可以慢慢的绕过专利壁垒的。

产业发展确实需要龙头企业带动,包括LED这块,像三安和CREE公司合资,三安一方面资金没有任何问题,也是LED国内的龙头,跟CREE公司合资公司做这一块,未来在CREE公司带动下,国内的碳化硅基LED会发展壮大;另一方面,碳化硅衬底企业做大以后,也可以向下游延伸做LED,LED相关产业链短一些,电力电子器件产业链太长了,不可能一个企业做全产业链,因此未来有几种方式碳化硅基LED市场扩大。

王启明:山东大学10年前做直拉碳化硅的。

彭同华:应该不会,碳化硅升华,不会直拉,可能是指一个传动机构,整个线圈在移动。碳化硅材料没有熔体状态。

王启明:你用高温气相生长碳化硅衬底籽晶是什么?碳化硅衬底价格趋势怎样?

彭同华:籽晶是碳化硅,气源就是丙烷和硅烷。碳化硅衬底基本上每年价格会降15%,今后5年价格还会降。

王德斌:一开始UV灯是我们做出来的,德国人卖给我们是8000欧,我们现在做出来就没有那么贵了。

王玉富:电力电子非常重要的机会,欧洲很多国家,2025年到2040年期间,禁止产销汽油车,第二个是产业变革,我们国家政府有一个响应,作为人类工业过程,到2040年是很短的一瞬,这个一定涉及整个电力电子,没有比它再热的产业了,整个社会发展没有比它更热的学科了,这方面确实应该引起半导体所、中国科技界非常非常大的重视才可以。

2008年开始整个全球经济危机,到现在为止经济危机结束了吗?我认为没有结束,以前大的经济危机,一战、二战靠打仗结束,现在靠什么来结束经济危机?靠大的产业变革,现在电力电子正是机会,要想结束经济危机要靠分布式发电系统大产业转化结束经济危机。上世纪50、60年代,日本要把美国买了,后来很顺利的把这个事情扭转了,很多人认为是日元升值了,我认为就是靠英特尔、微软把日本打败了。你现在看日本半导体产业在哪里,日本计算机产业在哪里,你没有半导体位置,计算机产业的位置,美国80年代翻身了,我认为这是根本性的原因。现在也是非常好的机遇,我们国家要想真正的处于世界领头羊位置,真正有我们自己位置一定要抓住电力电子产业引发的变革,我们国家不要2040年,我们2020年不行,2025年不行,2030年行不行,一定要下决心中国真正做到世界领头羊。希望我们国家、半导体所能够在这样变革中找到我们自己的位置。不是说我们自己搞的,从80年代就搞电力电子,我觉得国家处于这样的位置。

钟兴儒:现在我们中国进口的集成电路,国家有一个统计计算,集成电路花的钱跟石油相当的,我们现在要节约石油、少用石油,它是污染的,在风力和光电发电,这样我们直排放减少了。半导体里面的功率器件已经二分之一以上的,过去是一半一半,这个非常重要。我们应该向这个方向走,恰恰我们这个方面比较薄弱。

王玉富:电力电子这个学科恰好结合功率半导体,电子学系统,结合了电气制造、甚至是机械制造边缘学科。我从80年博士毕业以后一直从事这个学科,很遗憾自己孤军奋战这么多年,刚刚交了5.5万专利年费,在国内主专利很遗憾我们出现一些状况。交直流转化这个太重要了,电网也好、电动车也好都是交直流转化,凡是AC、DC等,都离不开我的BPCD,桂局是理解非常深刻的,这个对世界非常重要的,特别是微电网。再有5年时间主专利就失效了,好在是我个人报的,还有系列的后续专利,有的我们晚交专利费搁置了。

钟兴儒:其实集成电路的那些人应该负责任的。

王玉富:要搞集成的,这个本身对世界太重要的,交流直流转化,并且要多次交直流转化,小区里面供电里面交流直流供电短时间改变不了,发电很大一部分是交流发电,BPCD太重要、太重要了。

钟兴儒:前一段时间咱们电视片放的,我们现在中国直流输电1000千伏,以前是500千伏,1000千伏是世界第一,别人达不到,其中里面就大量用IGBT。电力电子器件对电力工业像是人类的心脏,电力是血液,高压输电到每个机器都要去控制。电视片里面的我们的港口机械都是电力设备,需要电力电子去支持。美国人用国旗把从我国进口的佛罗里达港口机械的商标遮住,因为特朗普要在那里发表重视工业的演讲,海湾风很大把国旗吹起来就看到了中国标牌,很没有面子。这么一个事例,也说明美国人开始青睐咱们设备了,就是在电力电子方面的。

王玉富:我认为碳化硅优势就是在输配电方面。

廖显伯:压缩了很多层次,核心部件。

江德生:你搞变频、升压、降压。

王玉富:整个共模干扰造成输配电损害影响太大了。

郑红军:目前CREE公司内部做碳化硅晶片,要么在功率器件上做二极管,CREE公司内部自己走的自循环是不是在LED有投入,做功率二极管方面少一点?

彭同华:CREE公司碳化硅衬底和功率器件总收入只有2.2亿美金,重点在LED方面。

郑红军:主要是LED,在高端上,1-3W,刚才讲的200好像在一年前是稳定化量产的200lm/W左右,目前应该在300lm/W左右差不多了吧。

彭同华:300多lm/W是研究结果,研究结果蓝宝石也有超过200lm/W的。

郑红军:高亮度LED主要需求是在大屏幕上必须要,要用大功率的。常规是蓝宝石,蓝宝石差不多在150lm/W。

彭同华:是的。

郑红军:发光效率是不是跟质量、缺陷相关,缺陷方面可能蓝宝石氮化镓失配比较厉害,还有热导率上方面的差异。

江德生:现在他们的日子不太好过,原来硅衬底比蓝宝石便宜,有价格优势,现在蓝宝石衬底价钱跟硅衬底价钱一样。

发言人:蓝宝石外衬片多少钱?

赵丽霞:2英寸差不多10美元左右。

发言人:硅2寸没有那么贵。

赵丽霞:硅衬底在微电子和光电交叉融合有一个潜在的优势。

张  韵:蓝宝石LED已经做到180了。

赵丽霞:我们直接买就是196,就是商用的,调制带宽也测了,白光很低,就只有几兆。

张  韵:硅吸光,后续的比蓝宝石复杂一点,这一块也增加很多成本。

江德生:你原来的题目叫HB-LED指的是什么?

赵丽霞:高亮度。

李致洁:一瓦以上就可以叫HB。

赵丽霞:对,功率型是一种,现在还有微LED,中功率等等,由于它整个在室内照明也有它的独特优势,碳化硅在0.2、0.5用的比较多,可靠性有它的特点。

桂文庄:高亮度边界在什么地方?

赵丽霞:如果尺寸小的时候肯定一颗发出来的光弱一点,一开始为了提高发光,增加面积,用1乘1。一般功率型都是1瓦以上,像3瓦都是功率型的。

桂文庄:高亮度应该有一个明确边界。

赵丽霞:2007、08年达到80 lm/W,这也是CREE等那个时候推进应用的时候。那个年代传统照明还在质疑,各方面不合适,后来发现一下就变了,有点应接不暇。半导体这块,比如说通信、能源,每次交叉,给出来的变革是一个颠覆性的,也会改变刚开始对整个理念的认知。

王启明:很高兴,一个是听了两位年轻科研带头人做了很好的报告,看到了半导体的未来,沙龙一年才轮到一两次,上次跟张书记提了建议,应该所里做一个安排,所里年轻人都到这里做做报告,把离退休的请过来听一听你的研究方向。离退休的同志虽已离开第一线多年,但是他们有一个有利的方面,毕竟见多识广,尽管不是非常前沿了,很难提出针对性的具体意见。但是当局者迷旁观者清,可以在方向上给大家提供参考意见,所以我建议像这种会老干部处把所长和副所长也请来听一听。

王玉富:现在院老科协给机会,一年能搞两次。

王启明:不光是半导体所,还可以邀请跟半导体方面比较相临近的,比如说像通讯的、计算机的请一两位来听一听,这样交流对所里有很大的帮助。今天听了报告觉得他们都很棒,很好。

第二个是,非常难得的跟老同志、老领导一起活动,我们有些不经常见面的,像桂局我们很长时间没见面了,差不多10年,很难得这个机会。

张  韵:在各位老师面前绝对是小学生,讲话不敢当,跟大家汇报一个我所知道的比较新的情况,国庆前我们一直期待了很多年的一个重点新材料研发重大项目,相当于专项,像01、02专项的重大工程项目立项了。这最早黄昆先生提的,大概2011年、2012年起一直在向国家做汇报,据我所知国庆节之前通过了像国务院领导的汇报。是国家第一个在新材料领域的一个重大专项。里面有7、8类,很重要的一类是第三代半导体材料。重大专项一般是15年的,会支持到2030年,力度会比重点研发大一到两倍的量级。我本人也参与了撰写的工作,比较了解这个情况。这件事的意义还在于能调动国家很多资本投资力量。今年感觉很明显,之前投资商不太关心半导体,特别是不关心材料领域,现在都会向我们咨询这方面的问题、项目。感觉国内有点风起云涌,开始往这个方向投资的感觉,我觉得这个是最重要的结果,一个收获。

咱们所对专项的酝酿参与很多,包括副所长、助理做的一些工作。刚才钟老师说的我非常有感触,后续咱们所的定位、迎接挑战在这几年还是非常重要的,在新形势下不是一枝独秀了,不是我们关起门来搞科研,我们面临很多新形势,现在可以从国外市场买到一些新技术,包括我们自己LED项目最后没有非常明显结果也是跟这个有关系,这种新情况下我们如何应对,在国家立了项后如何体现我们的作用,这是非常关键的。

另一方面至少很欣慰的,我们在人才培养方面还是比较突出的,整个国内这方面人才,包括毕业了不在我们所工作,应该说开花结果,占了这个领域的半壁江山。下一步如何保持我们的作用,这个一定会向所领导转达到,看看下一步如何把事情更好的做好。刚才王先生提的非常好,我是第二次来老科协沙龙,第一次是讨论太阳能电池方面的。我也特别愿意来,我今天有一个培训,中午还要开车赶去。我为什么特别愿意来,想听老前辈说的真知灼见,肯定都是真话;第二你们有这么多年整个业界经验,这是完整的故事。我们一些年轻科研人员只顾眼前东西,很少考虑长远的东西,老先生可以给我们很好的长远的例子,虽然背景和现在不一样,但是和现在基本道理是一样的,对我们整体长远发展有帮助的。王先生的建议也会向所长传达到,能不能把论坛、活动扩大化。不光是台上这些人在讲,下面还有研究生在听。

桂文庄:今天听了两位年轻的专家给我们做的报告,讲到了一个非常重要的事情,我们国家下一步产业化关键的技术。大家讨论也是非常的热烈,从技术本身一直讨论到整个发展的战略和我们国家在这些方面的前途,讨论得非常好。

今天大家讨论到技术转化的问题。今天的环境已经和十几二十年前大不相同了。今天我们研究所要干什么,我觉得最重要的是要看到技术前沿在哪里,在我们用什么办法来超越世界,来为我们国家企业发展提供新的技术、提供我们自主的技术,能够使得我们变成真正的技术强国,不是老是在引进别人的技术,要从这件事情入手。因此更加重视搞好基础和前沿的工作,这是我们对研究所的要求。我们不能去重复市场上、产业界已经在做的事情,那我们做就没有用了。但是这并不代表着我们不要重视应用了,我们就管前沿,就管技术,做点文章出来,绝对不是这样的,而是要想到我们技术怎么能够引领国家的发展。所以我觉得我们研究所恐怕要更加开动脑筋在新的环境下怎么样把工作做好,既要搞好技术前沿,这是我们进一步发展创新的源泉。同时我们还要注意我们研究出的技术要用,怎么用?这个应用也和我们十几二十年前不一样了,那时候我们不得不去找一点资金、一个小课题,搞一点钱,搞一个小作坊把东西推出去,这样不行的。我们半导体方面的应用,一般投资都是比较大的,一定要和企业界非常紧密的结合。如何把我们和企业界密切的结合,把社会的投资能够吸引到这方面来真的要动脑筋。所以对我们来说,下一步所的发展要从这两个方面搞。一方面基础前沿,抓紧抓好,一头要把前沿真正好的技术和企业密切的结合起来推向应用。

另外一方面今天讲到的技术应用的问题。我觉得,碳化硅到底该不该做LED,到底是蓝宝石衬底LED有前途还是硅上的LED有前途,这个不好下结论。一方面是技术因素,另外一方面是价格因素。成本和价格是非常非常重要、非常非常关键的事情。但是也不见得说现在贵将来就一定没有前途。碳化硅LED现在说是贵,比硅要贵10倍以上,如果过些年成本下降一些,加上寿命更长等综合算起来,有没有前途?因为市场有这个规律,要是现在赚不了钱,资金链一断就完了,所以这个到底要怎么样做,是要从市场考虑的。这个事情就需要我们科研人员和企业家密切的结合,密切的联系,从不同的方面,从技术、市场、价格、成本、发展可能性等等各方面去权衡才能够得到比较正确的结论。这些事情都值得我们进一步深入研究探讨的事情。希望我们半导体最后研究的技术真正能让我们国家用上,给我们国家产业发展提供核心技术,我们将来走到什么地方可以说这个是我们半导体所出来的,我们国家搞出来的。光有技术不行,一定要和企业结合,这是我的一点感想跟大家分享。

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