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  • 第三代半導體是怎么變“燈”的?

    信息來源于:科學網 發布時間:2018.02.27 瀏覽數:404

    你知道你家的房子健不健康嗎?你知道有哪些奇花異草將被培育出來嗎?你知道機器人在天上能發揮什么作用嗎?……如果談及“科技改變生活”,你的第一印象還停留在訂餐外賣、移動支付,那么,我們就要敲敲小黑板了——請注意,一些你不太明白的技術,正在改變著生活,而這些技術,就是從實驗室里誕生的。

    現代科技的突飛猛進,為社會生產力發展和人類的文明開辟了更為廣闊的空間,有力地帶動了整個國民經濟的發展。而實驗室是一個神奇的地方,在這里,你可以預知未來的樣子。正因如此,《中國科學報》記者走進了若干個以面向國民經濟主戰場為己任的特色實驗室,帶大家一起變身“預言家”。

    “第三代半導體材料?是收音機嗎?”提到半導體或第三代半導體材料,這是大多數人的第一反應。

    穿上隔離服,戴上頭套、口罩,《中國科學報》記者走進北京市第三代半導體材料及應用工程技術研究中心(以下簡稱工程中心)的實驗室,看一看第三代半導體材料到底是什么?

    第三代,厲害了!

    所有進入實驗室的人都要先通過風淋室,待身上附著的灰塵都被吹凈后,實驗室的大門才能被打開。

    大門打開后,一張LED材料研究流程圖映入眼簾。按照這個流程,就可以用氮化鎵把第三代半導體材料生產出來,并“變”成可用于道路、家庭、電視、投影儀的LED器件。

    實驗室里掛著的LED材料研究流程圖(倪思潔攝)

    氮化鎵,是半導體材料被列入“第三代”的一個標志。在我國半導體行業里,人們約定俗成地把半導體材料分成了三代。第三代半導體材料以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等元素半導體為代表。“它可以用在半導體照明、新一代移動通信、能源互聯網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等諸多領域。”工程中心主任王軍喜說。

    2014年,工程中心由北京市科委支持,在中科院半導體照明研發中心的基礎上正式組建,目的是解決第三代半導體行業共性關鍵技術,建立基于自主知識產權的氮化鎵光電器件和功率器件技術平臺和示范,形成第三代半導體技術研究和產業人才的培養基地。

    新材料,變身!

    實驗室里,和記者一樣“全副武裝”的科研人員來來回回地操縱著儀器,時不時會相互交流討論一下技術操作事宜。

    在基礎材料技術研究部,一位年輕的科研人員正拿著紅色和黑色的電極,測試著剛做出來的直徑兩英寸大小的圓形膜材料。這個圓形材料是藍寶石基氮化鎵LED結構材料,即以藍寶石作為襯底,上面鋪了幾十層氮化物制成的。

    材料的直徑上均勻地分布著7個小點,科研人員把紅色電極固定在直徑的一端,黑色電極沿著直徑觸碰材料上的“點”,發出藍色或是綠色的光。亮了,就可以初步判斷材料的性能是好的。

    實驗人員正在測試膜材料性能(倪思潔攝)

    被測試的膜材料(倪思潔攝)

    接著,記者跟著材料一起來到了芯片室。在這里,材料會被送進一臺被稱為“金屬有機物化學氣相沉積”(MOCVD)的設備,變成“LED外延片”。

    MOCVD是加工制備半導體材料、薄膜的重要儀器。“目前,工程中心已經可以基本實現MOCVD關鍵裝備的國產化。”工程中心副主任伊曉燕介紹。

    經歷了臺面刻蝕、氧化硅保護、減薄拋光、反射鏡制備等環節的“歷練”,我們剛剛看到的膜材料就變成了儀器附近一個藍色的托盤里的LED外延片。

    經過一系列工藝,膜材料變身成很有金屬氣質的LED外延片(倪思潔攝)

    這些LED外延片看起來像金屬片一般,也是直徑2英寸的圓板。外延片上密布著1000多個1平方毫米大小的芯片。每一個芯片的性能都可以從一臺電腦上直觀地顯示出來。如果芯片再小一些,這種兩英寸的LED外延片,最多可以制備出4萬多顆小芯片。

    接著,經過激光劃片、擴膜等處理,LED外延片就薄得幾乎沒了厚度,上面的小芯片也相互獨立開來。“每個1平方毫米的小芯片都可以制成一個1瓦的燈泡,亮度相當于10瓦的白熾燈。”伊曉燕說。

    外延片“瘦身”后變得薄薄的,一顆顆小芯片也被切開(倪思潔攝)

    發光吧,半導體!

    最后一步,應用。實驗人員會通過膠體把小芯片粘結在支架的指定區域,形成熱通路或電通路,再鋪上熒光粉和第二層膠,把小芯片們封裝成為成品。這些成品,就是制造LED燈或顯示屏等醫用產品的關鍵元器件。這些元器件正走向醫療、通訊、農業等民生相關領域。

    成品(倪思潔攝)

    在北京,工程中心以快繁組培植物工廠所生產的非洲紫羅蘭、槲蕨等材料為光照對象,設計了10種燈具,使3家試用的種苗公司節能70%,增產20%。在東北,工程中心設計了大田作物補光燈具,彌補了東北作物光照不足的問題,并在東北農業種植戶那里得到應用。

    最終變成了燈,可以用來給蔬菜補光,據說不同的蔬菜對光的顏色還會有不同的“口味”偏好(倪思潔攝)

    王軍喜介紹,目前工程中心的研究重點在深紫外固態光源技術、超高能效技術、電力應用技術、智能光源技術領域。

    “深紫外光,人眼是看不見的,但是可以用于殺菌消毒,未來可以應用在污水處理、食品加工、醫院等行業。”王軍喜說,據估算,這一技術未來的市場價值可以達到千億元級別。

    記者過了一把科技癮

    不僅如此,未來,第三代半導體材料或許還會帶給我們更大的驚喜。如果有一天,你發現車燈變成了傳遞信號的通訊工具,行駛中遇到突發情況不再需要鳴笛時,不必困惑,那很可能就是第三代半導體材料的智慧。

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