第三代半导体是怎么变“灯”的?—新闻—科学网

 
作者:倪思洁 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2018/2/26 19:14:39
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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。

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。

实验人员正在测试膜材料性能(倪思洁摄)

 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。

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。

接着,经过激光划片、扩膜等处理,LED外延片就薄得几乎没了厚度,上面的小芯片也相互独立开来。“每个1平方毫米的小芯片都可以制成一个1瓦的灯泡,亮度相当于10瓦的白炽灯。”伊晓燕说。

外延片“瘦身”后变得薄薄的,一颗颗小芯片也被切开(倪思洁摄)

发光吧,半导体!

最后一步,应用。实验人员会通过胶体把小芯片粘结在支架的指定区域,形成热通路或电通路,再铺上荧光粉和第二层胶,把小芯片们封装成为成品。这些成品,就是制造LED灯或显示屏等医用产品的关键元器件。这些元器件正走向医疗、通讯、农业等民生相关领域。

成品(倪思洁摄)

在北京,工程中心以快繁组培植物工厂所生产的非洲紫罗兰、槲蕨等材料为光照对象,设计了10种灯具,使3家试用的种苗公司节能70%,增产20%。在东北,工程中心设计了大田作物补光灯具,弥补了东北作物光照不足的问题,并在东北农业种植户那里得到应用。

 最终变成了灯,可以用来给蔬菜补光,据说不同的蔬菜对光的颜色还会有不同的“口味”偏好(倪思洁摄)

王军喜介绍,目前工程中心的研究重点在深紫外固态光源技术、超高能效技术、电力应用技术、智能光源技术领域。

“深紫外光,人眼是看不见的,但是可以用于杀菌消毒,未来可以应用在污水处理、食品加工、医院等行业。”王军喜说,据估算,这一技术未来的市场价值可以达到千亿元级别。

记者过了一把科技瘾

不仅如此,未来,第三代半导体材料或许还会带给我们更大的惊喜。如果有一天,你发现车灯变成了传递信号的通讯工具,行驶中遇到突发情况不再需要鸣笛时,不必困惑,那很可能就是第三代半导体材料的智慧。(完)

 
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