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以“既顶天又立地”的标准 建设一流研究中心——专访深圳第三代半导体研究院于洪宇教授

日期2018-09-25/ 科研聚焦

2018年3月,在深圳市委市政府的大力支持下,由第三代半导体产业技术创新战略联盟和南方科技大学为主共建的深圳第三代半导体研究院正式启动。研究院面向2030国家对于第三代半导体布局的战略需求,围绕建设世界科技强国的战略目标,依托第三代半导体产业技术创新战略联盟,立足深圳、覆盖粤港澳大湾区、面向全国,打造开放式、国际化、全链条的第三代半导体协同创新平台, 力争成为国家第三代半导体技术创新中心,推动中国第三代半导体全产业链进入世界先进行列。经过半年多的时间,为了解研究院的建设发展情况如何,取得了哪些进展和成绩?我们专访了研究院共同筹建者、南方科技大学电子与电气工程系教授于洪宇,他向我们提出了以“顶天立地”的标准,建设一流的研究中心。下面就跟随笔者一起来听听他的解读。

于洪宇介绍第三代半导体研究院

        Q:于教授您好,在正式开始访问前,可否请您用通俗易懂的语言为我们科普一下关于第三代半导体的基本知识,比如什么是半导体?什么是第三代半导体?第三代半导体主要应用在哪些方面?对社会发展或生活带来什么样的影响?

        A:我们常说的半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗等,其中,硅是在商业应用上最具有影响力的一种。第三代半导体,主要包括目前即将成熟应用的碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN),也包括其他氮化物半导体、氧化物半导体和金刚石等宽禁带及超宽禁带半导体材料,具备击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强等优越性能,是新一代电力电子、射频、光电子应用的核心材料和关键器件,能有力支撑新能源汽车、轨道交通、能源互联网及新一代移动通信等产业绿色可持续发展。

       第三代半导体的重点应用领域包括,新能源与智能电网领域、轨道交通与新能源汽车领域、5G通讯和物联网领域、光电子与显示领域、消费类电子和工业电机领域、航空航天与军工领域等。对社会发展的影响我认为主要在以下几个方面。首先,第三代半导体材料的功率器件及模块可大幅降低电力系统的能量损耗和复杂度,应用于智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、工业电机、白色家电、数据中心等耗能的应用领域,将创造出可观的节能空间,符合“面向绿色、低碳发展”的全球性发展需求。第二,面向未来5G移动通信,海量的设备连接、不断涌现的新业务和新应用场景对超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性提出了极高的要求,将很快超越Si基器件技术的承载能力。采用第三代半导体技术可满足建设自主可控的万物互联、移动互联的信息化社会发展需求,第三代半导体技术中的GaN基微波射频器件具有高频率、高效率、低功耗、高功率密度的优点,可实现更宽频带设计、实现毫米波段高功率输出以及小型低耗能性能,同时也能实现以GaN射频功放管器件为代表的核心器件国产化,将对我国在未来5G通信竞争中打破受制于人的局面具有非常重要的意义。第三,发展第三代半导体产业可支撑传统产业升级,打造新引擎,培育和催生经济社会发展新动力。例如MicroLED有望突破韩国在显示领域的独霸地位,推进中国从全球最大的LED生产国到高端照明应用及显示领域全面产业升级。发展第三代半导体产业还有望突破发达国家在汽车制造领域的领先地位,在电动汽车行业实现换道超车。第四,使用高频、高可靠、长寿命、宽工作温度范围、强抗辐照能力的第三代半导体功率器件,对国防武器建设方面也有积极的意义。

微电子图片

        Q:听您的介绍,第三代半导体作为先进的战略性新技术,对科学技术、经济社会发展有着的战略性支撑作用,把握机遇、与时俱进发展新兴的第三代半导体产业势在必行,这应该就是深圳第三代半导体研究院成立的背景与初衷吧?

        A:是的,中兴通讯事件“一石激起千层浪”,它触碰到了中国半导体产业核心技术长期缺乏的痛点,“缺芯少魂”的问题再次严峻地摆在面前。

        我们既要看到问题,也要看到机遇。当前,第三代半导体未来应用潜力巨大,具备变革性的突破力量,是半导体以及下游的电力电子、通讯等行业新一轮变革的突破口。在硅基半导体差距较大的情况下,国外巨头在第三代半导体领域核心专利、标准和产业规模的垄断尚未完成,中国有抢占技术制高点的机会和空间。

        2016年,国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》,启动一批面向2030年的重大项目,第三代半导体被列为国家科技创新2030重大项目“重点新材料研发及应用”重要方向之一。正是在这种国家需要和时代背景下,得益于深圳市政府的大力支持,南方科技大学面向2030国家第三代半导体战略需求,围绕建设世界科技强国的战略目标,会同第三代半导体产业技术创新战略联盟、高校科研院所和相关骨干企业,合作共建了深圳第三代半导体研究院。

专用实验超净间

        Q:您刚刚提到,研究院是在深圳市的强力推动下成立的,为什么深圳对第三代半导体研究院如此重视?在南科大建立这个研究院,有怎样的优势?

        A:自主创新是深圳市发展的主战略。为深入贯彻落实“十九大”精神和习近平总书记对深圳工作的重要指示精神,深圳加强创新体系顶层设计,以制度创新、政策创新推动科技创新,建设了一批开放式的重大科技设施、创新载体和服务平台。作为我国重要的电子信息产业基地,深圳在电子信息产业基地的地位日益巩固,新一代信息技术产业优势突出。在半导体产业领域,深圳已成为国内半导体产品的消费、集散和设计中心,并在良好的市场环境下孕育出了颇具特色且快速增长的半导体产业。同时,深圳拥有一定第三代半导体技术和产业的基础,具有第三代半导体最为先进和广泛的应用市场,也拥有例如海思、中兴、青铜剑、方正微电子、瑞波光电子等第三代半导体研发相关的优秀企业,具有良好的基础。

        大力发展半导体产业是深圳建设国家自主创新示范区的重要举措。2017年4月,科技部印发了《“十三五”材料领域科技创新专项规划》中明确提出“第三代半导体材料与半导体照明整体达到国际先进水平,部分关键技术达到国际领先水平”。广东省围绕宽禁带半导体材料和新型显示材料实现产业化和规模应用,将发展第三代半导体材料与器件列为重大科技专项,开展专项行动计划,大力扶持第三代半导体企业的发展。可以说,未来5至10年是全球半导体产业发展的重大调整变革期,也是深圳市产业发展的重要战略机遇期。

        南科大的目标是迅速建成国际化高水平研究型大学,建成中国重大科学技术研究与拔尖创新人才培养的重要基地。南科大于建校初期,及2011年左右就开始进行第三代半导体研究,在深圳市的统一规划部署下,建立了“第三代半导体重点实验室”,也成立了广东省GaN器件工程技术中心,并有华南地区高校最大的专用实验超净间(总面积1200平米),以及皮米尺度上的基础和应用研究中心,可用以支持第三代半导体器件的先导研发。此外,南科大开创的《第三代半导体材料与器件》等相关课程,面向本科生与研究生开课,在基础研究、高端人才培养方面为第三代半导体产业的发展提供科研支撑和人力资源。这些都是在深圳、在南科大建立第三代半导体研究院的重要优势所在。目前南科大与香港方面合作共建的深港微电子学院,将对研究院起到强有力的支撑作用,充分发挥产学院的融合效应。

        Q:我们第三代半导体研究院的架构是怎样的?经过半年多的建设,目前进展情况如何,比如在引进人才、研究设备等方面?

        A:深圳第三代半导体研究院是以第三代半导体产业技术创新战略联盟、南方科技大学为主,会同复旦大学等其他高校科研院所和相关骨干企业,在深圳市政府的大力支持下共同建设的。深圳第三代半导体研究院为民办非企业单位,实行理事会领导下的院长负责制,理事会为研究院最高决策机构,由监事会监督审核研究院各项工作。研究院设有指导委员会、产业发展委员会、技术委员会,下设战略及研发部、平台运营部、成果转化及孵化部、综合管理部。

        自今年3月31日正式启动以来,研究院积极筹建,依计划逐步推进落实各种管理机制建设、部分重要人才引进、开放研发平台选址及设备选型的工作,已经启动第一批研发项目。南科大会同研究院目前在加快推进6-8寸兼容SiC/GaN及其它材料器件开放研发平台,先进封装测试开放研发平台,材料检测、可靠性与认证平台的建设。

        同时,为加速第三代半导体技术和产业发展,不仅需要从事基础理论和前沿研究一流科学家,更需要有深厚技术和产业经验的技术专家,才能实现“既顶天又立地”的建设目标。研究院制定了相应的政策与奖励机制,以“小核心大网络”的模式,吸引国内国际一流科研及产业技术人才,打造顶尖的研发团队,研究院高端人才将也受聘于南科大。

研究院选址

        Q:我们第三代半导体研究院的未来建设发展目标是怎样的?

        A:第三代半导体研究院将面向2030国家第三代半导体战略需求,围绕建设世界科技强国的战略目标,依托第三代半导体产业技术创新战略联盟,通过产业链构建创新链,充分利用并整合现有优势资源,以增量激活存量,吸引国际一流领军科学家团队,重点研发第三代半导体核心材料、器件、封装和模组,主攻前瞻性和产业共性关键技术,以先进的开放研发平台和创新的体制机制,为产业的快速发展提供技术支撑。针对重大科学问题和瓶颈技术问题,实现各类创新主体和创新要素之间的目标协同、任务协同、机制协同,提高创新效率,建立体制机制创新的开放式、国际化、全链条的第三代半导体协同创新平台,实现5年内国内领先、国际一流,10年内国际领先,立足深圳、覆盖粤港澳大湾区、面向全国、辐射全球。

        Q:就目前看,国际上和国内的第三代半导体研究情况和进展如何?在这种形势下,研究院的的关注点、研究方向将集中在哪些方面? 

        A:第三代半导体已进入爆发式增长期,美、日、欧等高度重视,部署国家计划抢占战略制高点。2014年奥巴马宣布成立“下一代电力电子技术国家制造业创新中心”,以第三代半导体产业作为重振美国能源经济的重要抓手。NEDO组织由2014年度诺贝尔物理学奖获得者名古屋大学天野浩教授牵头的第三代半导体功率电子器件国家重点科技项目。欧盟陆续启动重大项目联合攻关SiC和GaN的关键技术,包括面向国防和商业应用的“KORRIGAN”计划、面向高可靠航天应用的“GREAT2”计划、面向产学研的“LAST POWER” 项目,以及2017年启动的CHALLENGE项目。

        GaN在半导体照明领域中已经确立了主导地位,中国的整体产值达到6538亿元;微波射频领域市场规模达到15亿元;电力电子领域市场规模达到18亿元。预计第三代半导体在包括微波射频、电力电子及包括照明和显示在内的光电子领域的每个市场规模都将达到万亿级规模。而中国目前拥有全球最大、最复杂、发展最快的能源互联网建设,特高压远距离输电、新能源并网、电网控制等技术;全球最高运营速度、最长运营里程、最佳效益高速轨道交通;全球增长最快和最大的新能源汽车市场;全球最大规模的4G和5G移动通信;全球产能最大、市场最大的半导体照明及超越照明;全球用户最多、规模最大的、多元化梯度式的工业电机及消费电子市场,第三代半导体在未来、特别是在中国的发展将无限广阔。

        在竞争剧烈、日新月异的发展形势下,我们第三代研究院将重点围绕节能减排、智能制造、信息安全、产业升级等重大战略需求,聚焦核心材料、器件、封装和模组领域,主攻第三代半导体前瞻性和产业共性关键技术,通过6-8寸兼容SiC/GaN及其它材料器件开放研发平台,先进封装测试开放研发平台,材料检测、可靠性与认证平台三大硬件平台实现第三代半导体先进工艺与研发制造,在直接促进新能源汽车、5G通讯和物联网、消费类电子和工业电机、光电子与显示等技术方向的不断发展,支撑全球能源互联网、轨道交通等重要领域,满足我国信息、能源、交通等国民经济和社会可持续发展的需求,促进我国向半导体材料强国的战略性转变。

        Q:第三代半导体研究和其他学科有没有交叉和联系,怎么进行合作?或者与社会合作的情况如何?

        A:第三代半导体作为重点新材料研发及应用重要方向之一,其产业链条长、应用覆盖面广,涉及电力电子、微波射频、光电子三大领域,包括新能源并网输电、电动汽车、通讯与物联网、现代国防和空天技术、新型显示、新一代照明、消费类电子、健康与医疗等从日常生活到国民经济核心应用的多个重要方面,是面向绿色、低碳发展的全球性需求,建设自主可控的万物互联、移动互联的信息化社会,推动现代国防建设,支撑传统产业升级,打造新引擎,培育和催生经济社会发展新动力。

        Q:可否谈谈于洪宇老师您本人当前的一些研究成果或进展?

        A:氮化镓材料被认为是继硅基功率器件后,可以应用于电力电子技术领域的理想可替代材料。发展高效节能硅基氮化镓功率器件,可顺应市场对系统提出的更高效率、更小体积、更高频率的要求,在高温大功率器件和高频微波器件应用方面获得更广阔的应用前景。我本人牵头成立了深圳市第三代半导体重点实验室,以及广东省氮化镓器件工程技术研究中心,并建成相关团队。在第三代半导体领域,我专注氮化镓(GaN)功率器件、射频器件、传感器以及系统集成等领域的研究,研发项目受到国家、广东省、深圳市等各级政府部门,及华为、中兴等公司的资助。最近我的团队在南科大洁净间自主开发的6寸氮化镓功率器件,性能首次接近国际先进水平。在氮化镓(GaN)传感器方面,主要围绕基于AlGaN/GaN HEMT结构的MEMS传感器的研发,面向其在汽车尾气排放和农药检测中的应用,可提升现有的环境监测能力,有效助力绿色城市建设。

        Q:第三代半导体研究给南科大的学子带来哪些方面的机遇或者成长平台?

        A:首先,依托南科大建设的国际一流的第三代半导体开放研发硬件平台,将吸引一批同时具有国际影响力的深厚研究和产业背景的高层次人才,与南科大共同打造一支具有国际影响力的研发团队,这将有力推动南科大加快建设一流学科与一流大学的步伐,为南科大培养高学术水平、深厚产业经验的博士、硕士研究生,同时提供给本科生在半导体行业(主要在第三代半导体领域)这一世界顶尖科技行业最为广阔的视野。

        其次,研究院将建成为我国第三代半导体产业的人才培养基地、产业孵化基地和知识产权共享交易基地,南科大可通过研究院建立和产业界的密切合作关系,对研发的基础理论知识和技术提供产业化导向,并通过研究院的开放研发平台与技术加速产业化,南科大学子也将乘上半导体产业界与创业界的直通车。

      采访结束后,笔者对研究院“顶天立地”的标准也有了较为明晰的认识和理解。在建设目标层面,所谓顶天,即研究院的成立面向2030国家第三代半导体战略需求,围绕建设世界科技强国的战略目标;所谓立地,则是说研究院立足于深圳自主创新的城市发展主导战略,依托深圳作为国内半导体产品的消费、集散和设计中心的地位,更充分利用了南科大在重大科学技术研究与拔尖创新人才培养的重要资源和基地作用。在吸引一流科研及产业技术人才方面,顶天是要引进从事基础理论和前沿研究一流科学家,立地则依靠一批有深厚技术和产业经验的技术专家。在支持学校发展与建设方面,研究院带来的顶天标准,是对标国际一流技术的一流研发团队,专注于世界顶尖科技行业的最高视野,同时又是脚踏实地、立足于产业前沿需求的专业教育、创新实践和产业孵化。

 

采访:刘卉

拍摄:张晓燕

(本文科研资料及图片由第三代半导体研究院提供)

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