全文刊載于《前瞻科技》2025年第1期“新材料前沿：技術創(chuàng)新與未來展望”
-副研究員
-第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟副秘書長
文章分析了以金剛石、氧化鎵、氮化鋁等為代表的超寬禁帶半導體材料的主要特點及戰(zhàn)略需求，系統(tǒng)梳理了國內(nèi)外超寬禁帶半導體材料的主要技術和產(chǎn)業(yè)進展，提出了當前待突破的關鍵技術問題和發(fā)展建議，以期為后續(xù)中國超寬禁帶半導體材料的發(fā)展提供參考。
超寬禁帶半導體材料憑借大禁帶寬度、高擊穿電場、低能耗等優(yōu)勢，在超高壓電力電子器件、射頻電子發(fā)射器、輻射探測器、量子通信和極端環(huán)境應用等高精尖領域有巨大的應用前景，能夠彌補現(xiàn)有半導體材料的不足。在軍用領域可望適用于高功率電磁炮、坦克戰(zhàn)斗機艦艇等電源控制系統(tǒng)，以及抗輻照、耐高溫宇航用電源等，可大幅降低武器裝備的系統(tǒng)損耗，減小熱冷系統(tǒng)體積和重量，滿足軍事裝備對小型化、輕量化、快速化與抗輻照、耐高溫的要求。在民用領域，可望用于電網(wǎng)、電力牽引、光伏、電動汽車、醫(yī)療設備和消費類電子等領域，實現(xiàn)更大的節(jié)能減排效果，被認為是未來支撐信息、能源、交通、制造、國防等多領域快速發(fā)展的重要基礎。2022年8月，美國商務部工業(yè)和安全局宣布對氧化鎵（Ga2O3）和金剛石（Diamond）這兩類超寬禁帶半導體材料實施出口管制，因為“利用這些材料的設備顯著增強了軍事潛力”，認為Ga2O3和金剛石“能夠在更快、更高效、更長時間和更惡劣條件下工作，可能會改變商業(yè)和軍事領域的游戲規(guī)則”。
金剛石寬帶隙、極高硬度、超高導熱率、低熱膨脹、強抗輻射及耐酸堿能力，且在寬光譜范圍內(nèi)透光率高，使其成為極具潛力的半導體材料，在紫外/高能粒子探測、同位素電池、激光器、高頻高功率器件、太空領域用半導體器件等方面不斷取得技術突破并展示出了巨大的應用潛力。金剛石的常見晶面取向有(100)、(110)和(111)，其中(100)面金剛石因生長速率快、晶體缺陷低而被廣泛研究。此外，(111)面的金剛石摻雜效率更高、表面懸掛鍵密度更大，也展示出了氫終端金剛石電子器件的巨大潛力。同時，由于金剛石具有超高的熱導率（22 W/cm·K），可作為高質(zhì)量GaN材料外延襯底，有效地改善基于GaN基高功率電子器件性能，解決高電子遷移率的自熱效應，從而增強器件的輸出功率、可靠性并延長其壽命。日本、美國、歐盟等國家和地區(qū)在20世紀中葉開始對金剛石合成設備、材料及器件研究給予大力支持。20世紀80年代后，單晶金剛石的質(zhì)量顯著提升，隨后金剛石p型和n型摻雜技術也逐漸取得進展，促進了金剛石半導體材料和器件及其相關機理的廣泛深入研究。經(jīng)過幾十年的不懈技術攻關，國外已在金剛石外延設備、金剛石材料及核心元器件的性能指標上取得了技術領先優(yōu)勢。美國的密歇根州立大學、德國奧格斯堡大學和日本佐賀大學等，通過改進生長工藝，不斷推動金剛石單晶性能的提升和尺寸的擴大。國際上的許多知名企業(yè)，如Element Six、Sumitomo Electric、Diamond Foundry等，也在金剛石單晶領域投入了大量研發(fā)資源，推動了技術的快速進步和產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。金剛石單晶材料主要通過高溫高壓（High Temperature High Pressure, HTHP）和化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition, CVD）方法制備。HTHP方法設備和維護成本高昂，且金屬催化劑的使用會不可避免地引入金屬顆粒殘留雜質(zhì)。此外，有限的單晶顆粒尺寸和高缺陷密度嚴重影響了晶體的光學和電學性能，極大地限制了HTHP合成金剛石的應用范圍。CVD技術包括微波等離子體CVD（Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition, MPCVD）、熱絲CVD（Hot Filament Chemical Vapor Deposition, HFCVD）、直流電弧等離子體噴射CVD等。其中MPCVD由于其精確的生長過程控制、清潔的沉積環(huán)境（污染風險?。?、大沉積面積能力及可控的摻雜能力，已成為制備高質(zhì)量金剛石薄膜的首選方法。拼接生長及異質(zhì)外延兩種方案在近幾年均實現(xiàn)了2英寸（1英寸=2.54 cm）及以上晶圓的突破，成為CVD法制備大尺寸金剛石單晶的主流方法。拼接生長通常將多個較小的金剛石單晶籽晶進行規(guī)則排列形成一個拼接的大尺寸單晶片，CVD生長獲得的外延層將籽晶逐漸連接為大尺寸金剛石單晶。2014年，日本產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所采用馬賽克拼接技術，將24個10 mm×10 mm單晶片拼接成一個直徑5 cm左右的馬賽克金剛石晶圓，實現(xiàn)了英寸級單晶金剛石。異質(zhì)外延是采用非金剛石單晶材料作為襯底生長金剛石單晶的技術，理論上可以實現(xiàn)與襯底相同尺寸的金剛石。在研究初期，研究人員驗證了多種材料如Si、氮化硼（c-BN）、鉑（Pt）、鎳（Ni）、SiC、氧化鎂（MgO）、石英、氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ）等作為異質(zhì)外延生長襯底的可行性，實驗結果表明銥（Ir）是目前為止最適合的異質(zhì)外延襯底材料或過渡層材料。2017年德國奧格斯堡大學在Ir/YSZ/Si(001)復合襯底上獲得了直徑約90 mm的單晶，厚度為1.6 mm、搖擺曲線(004)半高寬（Full Width at Half Maximum, FWHM）達到0.064°。2023年，Diamond Foundry報道了世界上首個4英寸異質(zhì)外延的單晶金剛石晶圓。日本佐賀大學于2023年成功開發(fā)了世界上第一個由金剛石半導體制成的功率器件，并與日本宇宙航空研究開發(fā)機構（Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA）合作開發(fā)了用于太空通信的高頻金剛石半導體元件?？偛课挥跂|京的精密零件制造商Orbray成功開發(fā)了2英寸金剛石晶圓的量產(chǎn)技術。該公司預計將很快完成4英寸基板的研發(fā)。此外，由豐田自動車株式會社和株式會社電裝共同出資的Mirise Technologies與奧比睿有限公司（Orbray）合作開發(fā)車載金剛石功率器件，目標是在2030年實現(xiàn)商業(yè)化。Orbray還與英美資源集團（Anglo American plc）合作，推進其人造金剛石基板業(yè)務，重點開發(fā)用于功率半導體和通信的大直徑金剛石基板。該公司計劃擴大其在日本秋田縣的生產(chǎn)設施，預計將于2029年首次公開募股。中國雖然人造金剛石總產(chǎn)量達全球95%以上，但主要為HPHT合成金剛石，相關產(chǎn)業(yè)中國已占據(jù)絕對優(yōu)勢，而各企業(yè)也在積極尋求產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。MPCVD方法由于其工藝可控，制備金剛石品質(zhì)高、雜質(zhì)少的優(yōu)點引起了廣泛的重視及研究。MPCVD金剛石逐步走出實驗室開始產(chǎn)業(yè)化進程。在國家科技計劃支持下，國內(nèi)金剛石材料及器件研究取得了一系列重要進展，已開展相關研究的團隊包括西安電子科技大學，西安交通大學，中國科學院半導體研究所，鄭州大學，北京科技大學，中國電子科技集團有限公司（簡稱中國電科）第十三、五十五、四十六研究所，哈爾濱工業(yè)大學，山東大學，南京大學，大連理工大學，中國科學院寧波材料技術與工程研究所，吉林大學等。通過不斷優(yōu)化MPCVD生長技術，在高質(zhì)量、大尺寸單晶金剛石的制備上取得了顯著進展。一些國內(nèi)公司，如中兵紅箭股份有限公司、河南黃河旋風股份有限公司、河南省力量鉆石股份有限公司、河南四方達超硬材料股份有限公司等也在探索MPCVD法生產(chǎn)大尺寸金剛石單晶。但與國際先進水平相比，在大尺寸襯底、高質(zhì)量材料、高效摻雜、高性能器件、高精度加工方面仍存在差距。2024年，西安交通大學研究團隊采用微波等離子體化學氣相沉積技術，成功實現(xiàn)了2英寸異質(zhì)外延單晶金剛石自支撐襯底的國產(chǎn)化。他們通過對成膜均勻性、溫場及流場的有效調(diào)控，提高了異質(zhì)外延單晶金剛石成品率。襯底表面具有臺階流生長模式，可降低襯底的缺陷密度，提高晶體質(zhì)量。X射線衍射（X-Ray Diffraction, XRD）(004)、(311)搖擺曲線半峰寬分別小于91″和111″，為金剛石的半導體應用奠定了基礎。另外，采用MPCVD技術，首次在Ir(111)/藍寶石表面實現(xiàn)單晶金剛石(111)面的外延生長，并成功實現(xiàn)20 mm×20 mm(111)取向的異質(zhì)外延單晶金剛石自支撐襯底。通過掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）、XRD及電子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）表征，XRD(111)搖擺曲線半峰寬小于0.6°，證明金剛石(111)具有良好的單晶特征。2024年，中國科學院半導體研究所團隊在國際上首次采用激光切割圖案化工藝緩解金剛石層異質(zhì)外延生長過程中的巨大應力，實現(xiàn)了2英寸異質(zhì)外延自支撐金剛石單晶的制備，位錯密度為2.2×107 cm-2。2024年，南方科技大學、北京大學東莞光電研究院、香港大學聯(lián)合研究團隊，在金剛石薄膜材料制備和應用方面取得重要進展，成功研發(fā)出能夠批量生產(chǎn)大尺寸、超光滑且具備超柔性金剛石薄膜的制備方法，這一成果在材料科學領域具有里程碑意義，并為金剛石薄膜的商業(yè)化應用奠定了基礎。隨著5G、6G通信技術的迅猛發(fā)展和國防對電子信息技術的迫切需求，金剛石材料在半導體和高頻功率器件中的重要性日益凸顯，在實現(xiàn)超精密加工、智能電網(wǎng)、智能制造、下一代通信技術、雷達、星地互聯(lián)等國家重大戰(zhàn)略中發(fā)揮著關鍵作用。6英寸及以上金剛石單晶襯底材料技術的工業(yè)化突破對于確保中國發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力、科技獨立自主、國防安全等方面至關重要。氧化鎵功率器件可滿足未來電力系統(tǒng)對電力電子器件高耐壓與低功耗的需求，成為下一代電力電子器件的最有力競爭者。為了全面推進Ga2O3材料與器件的研究，日本、德國、美國等國家均通過了一系列Ga2O3材料和器件的研究計劃。2014年，日本國立產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構在其戰(zhàn)略節(jié)能技術創(chuàng)新計劃中啟動了“β-Ga2O3肖特基勢壘二極管商業(yè)化開發(fā)”項目，旨在推動氧化鎵功率器件的研究和商業(yè)化。美國空軍研究實驗室為了進一步提升軍用雷達、電子戰(zhàn)及通信系統(tǒng)中射頻器件及功率開關器件的性能，通過了一項歷時27個月的Ga2O3單晶材料制備研究的計劃。2016年1月，美國國防部高級研究計劃局啟動了與氧化鎵材料外延生長技術相關的研究計劃，該計劃的提出，基于未來海軍戰(zhàn)艦上配備的電磁軌道炮、防空雷達系統(tǒng)及DDG-51驅(qū)逐艦推進系統(tǒng)，均需要高壓、高效功率轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)所需功率密度。據(jù)統(tǒng)計，全世界其他國家從2016年到現(xiàn)在每年均有超過1 000萬美元投入氧化鎵材料和器件的研發(fā)。2023年9月美國防部宣布實施微電子共享計劃，將“高壓氧化鎵功率開關”列入重點關注關鍵技術。日本也正加快氧化鎵產(chǎn)業(yè)化速度，布局多家日本行業(yè)領軍企業(yè)進入氧化鎵領域。氧化鎵單晶能夠采用液相的熔體法生長，并且硬度較低，材料生長和加工的成本均有優(yōu)勢。Ga2O3單晶可以通過多種熔體法制備，包括浮區(qū)法、提拉法、導模法、垂直布里奇曼法、鑄造法、冷坩堝法等。導模法生產(chǎn)的4英寸Ga2O3單晶襯底已經(jīng)實現(xiàn)了商用，導模法、垂直布里奇曼法和鑄造法實現(xiàn)了6英寸Ga2O3單晶襯底技術突破，提拉法、冷坩堝法也成功制備出2英寸Ga2O3單晶。導模法、鑄造法、提拉法需要用到昂貴的銥坩堝，Ga2O3未來大規(guī)模商用化發(fā)展可能會受到成本的限制。而垂直布里奇曼法、冷坩堝法、浮區(qū)法不需要用到昂貴的銥坩堝，單晶生長成本預計會大幅下降。日本和德國對氧化鎵單晶生長的研究起步較早。2000—2006年，日本及德國學者利用提拉法、導模法率先成功制備出β-Ga2O3單晶。日本NCT股份有限公司作為β-Ga2O3襯底生產(chǎn)的引領者，在大尺寸、高質(zhì)量Ga2O3晶圓供應市場上占據(jù)了統(tǒng)治地位，當前占有全球90%以上的襯底市場份額。NCT股份有限公司2012年第1次實現(xiàn)2英寸晶圓襯底技術突破，2018年通過導模法量產(chǎn)4英寸β-Ga2O3晶圓，2022年突破6英寸β-Ga2O3晶圓制備技術，并于2024年宣布能夠采用更低成本的垂直布里奇曼法制備出6英寸β-Ga2O3單晶襯底。德國萊布尼茨晶體生長研究所采用提拉法實現(xiàn)2英寸氧化鎵晶圓制備。相比美國、日本和德國等國家，中國在氧化鎵襯底、材料和器件方面的研究起步較晚，整體處于跟跑階段。近年來在相關部委的支持下，部分器件指標達到國際領先，但在氧化鎵材料方面仍有差距。雖然目前中國氧化鎵領域飛速發(fā)展，涌現(xiàn)了多家企業(yè)，但整體產(chǎn)業(yè)鏈還不夠齊全，“單晶-外延-器件-裝備”工程化和產(chǎn)業(yè)化成熟度還不夠高。除了國家的持續(xù)支持引導外，也需要學術界、投資界及產(chǎn)業(yè)界各領域精誠合作，面向氧化鎵產(chǎn)業(yè)化目標，協(xié)同攻關，迭代優(yōu)化。國內(nèi)多家科研機構在氧化鎵材料和器件方面開展了系列研究，包括山東大學，同濟大學，中國科學院上海光學精密機械研究所，中國電科第四十六、十三研究所，北京大學，吉林大學，西安電子科技大學，南京大學，北京郵電大學，中山大學，復旦大學等。中國電科第四十六研究所2016年制備出2英寸β-Ga2O3晶圓，2018年研制出4英寸β-Ga2O3晶圓，2023年成功實現(xiàn)6英寸β-Ga2O3晶圓制備。山東大學采用導模法成功制備6英寸氧化鎵襯底。浙江大學2022年采用鑄造法成功生長2英寸β-Ga2O3單晶；2023年制備出4英寸β-Ga2O3單晶；2024年突破6英寸β-Ga2O3單晶生長。2024年7月，浙江大學孵化企業(yè)杭州鎵仁半導體有限公司在氧化鎵晶體生長與襯底加工技術上取得突破性進展，成功制備出3英寸晶圓級(010)Ga2O3單晶襯底，為目前國際上報道的最大尺寸。2024年10月，杭州鎵仁半導體有限公司基于自主研發(fā)的氧化鎵專用晶體生長設備，并采用垂直布里奇曼法，成功生長出2英寸的氧化鎵單晶，這是國內(nèi)首次實現(xiàn)此項技術突破。杭州富加鎵業(yè)科技有限公司及北京銘鎵半導體有限公司具備4英寸單晶生長技術，并實現(xiàn)2英寸單晶襯底商業(yè)化。中國科學技術大學團隊針對氧化鎵缺乏有效p型摻雜導致難以實現(xiàn)增強型垂直結構晶體管的難題，通過優(yōu)化后退火工藝實現(xiàn)氮替位激活和晶格損傷修復，研制出kV級氧化鎵垂直槽柵晶體管。這一成果發(fā)表于第36屆國際功率半導體器件和集成電路會議，為實現(xiàn)面向應用的高性能氧化鎵晶體管提供了新思路。當前，6英寸及以上無銥法氧化鎵單晶襯底材料制備產(chǎn)業(yè)化技術的突破，需要設備和工藝相互配合，根據(jù)工藝優(yōu)化設備（包括熱場流場），再根據(jù)設備優(yōu)化工藝，多次迭代才能將材料的技術成熟度等級提升到更高階段。另外，包括氧化鎵、金剛石等超寬禁帶半導體面臨著雙極型摻雜難這一問題，難以制造同質(zhì)雙極型器件以同時滿足大電流和高電壓承載的要求。采取異質(zhì)結策略，構建具有良好界面和能帶匹配的p-Diamond/n-Ga2O3二極管，是實現(xiàn)高性能超寬禁帶雙極型二極管的理想組合，有利于充分發(fā)揮超寬禁帶半導體在先進電力電子器件的應用優(yōu)勢。中國科學院寧波材料技術與工程研究所、鄭州大學、南京大學及哈爾濱工業(yè)大學研究團隊緊密合作，通過異質(zhì)外延界面調(diào)控和器件結構優(yōu)化設計，成功制備擊穿電壓超3 000 V的p-Diamond/n-Ga2O3異質(zhì)pn結二極管。該工作提供了一種兼具高耐壓特性、低導通電阻和高效熱管理策略的超寬禁帶半導體異質(zhì)pn結二極管的制造方案，將進一步推動超寬禁帶半導體在功率器件領域的發(fā)展。氮化鋁（AlN）晶體，以其超寬禁帶、深紫外透明、高熱導率、高聲速及高溫穩(wěn)定性等卓越特性，成為當前半導體領域的關鍵前沿材料之一。作為直接間隙半導體，其最大禁帶寬度高達6.2 eV，使AlN成為AlxGa1-xN基紫外發(fā)光器件和探測器的首選襯底。基于AlN襯底的AlxGa1-xN紫外光電器件，覆蓋了200~365 nm紫外光譜的帶隙范圍，為紫外殺菌、生物醫(yī)學、紫外固化、紫外激光、紫外探測等領域開辟了廣闊應用空間。另外，AlN憑借優(yōu)異熱導率、高表面聲波速度、高擊穿場強及穩(wěn)定的物理化學屬性，成為高頻、高溫、大功率電子器件的理想材料之一。這些獨特優(yōu)勢讓AlN在功率器件、射頻器件、壓電器件等領域，展現(xiàn)出了重要價值與應用潛力。目前，主要有兩種方法用于生長氮化鋁（AlN）單晶：物理氣相傳輸法（Physical Vapor Transportation, PVT）和氫化物氣相外延（Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE）。PVT法具有顯著的優(yōu)勢，其特征是生長速度快，能夠有效獲得低位錯密度的AlN單晶。一些研究機構和公司已成功利用這種方法制備了2~4英寸的AlN單晶襯底。然而，PVT法也面臨一些技術挑戰(zhàn)。首先，AlN晶體在生長過程中往往表現(xiàn)出多晶成分，這不僅降低了AlN襯底的有效可用面積，而且增加了晶體的脆性，使加工更加困難。其次，高雜質(zhì)濃度會降低AlN晶體在深紫外范圍內(nèi)的透射率，顯著限制了其在紫外發(fā)光和紫外光電器件中的應用。最后，PVT法需要較高的生長溫度，導致高功耗和對坩堝材料的特殊要求，這些因素阻礙了生產(chǎn)成本的降低。雖然自成功制備第1個2英寸的AlN單晶襯底以來已有近20年，但尚未實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。HVPE技術是一種利用氣相外延制備AlN的重要方法，具有在低雜質(zhì)濃度下生長AlN單晶的顯著優(yōu)勢，并能夠生產(chǎn)均勻的大尺寸單晶厚膜。通常，該技術在1 300~1 600 °C的溫度范圍內(nèi)進行AlN生長，生長速度從幾µm/h到100多µm/h不等，使其特別適合制造高質(zhì)量的AlN單晶厚膜。近年來，一些世界領先的研究機構和企業(yè)積極從事AlN的HVPE生長研究，不僅在異質(zhì)外延和同質(zhì)外延方面取得了重大進展，而且在自支撐單晶襯底的制備方面也取得了重大進展。目前，HVPE技術通常采用異質(zhì)外延制備AlN，但這種方法不可避免地導致位錯密度較高，這嚴重影響了器件的性能。盡管研究人員為降低位錯密度做出了重大努力，但迄今為止取得的進展遠未達到令人滿意的水平。雖然目前的技術手段還不足以滿足這些要求，但通過異質(zhì)外延HVPE技術直接生產(chǎn)大尺寸的AlN單晶仍是一條值得嘗試的技術路線。國際上，美國Hexa Tech公司實現(xiàn)了高質(zhì)量2英寸AlN單晶襯底的小規(guī)模量產(chǎn)能力。日本旭化成株式會社旗下的美國Crystal IS公司在2023年宣布成功實現(xiàn)了直徑為100 mm的AlN單晶襯底的批量生產(chǎn)，這些襯底的可用面積達到99%；2024年發(fā)布實現(xiàn)4英寸單晶AlN襯底。由于AlN單晶材料的敏感用途（用于高性能紫外探測器），美國的AlN單晶晶片對中國實行禁運。北京大學、山東大學、中國科學院半導體研究所、深圳大學、哈爾濱工業(yè)大學、上海大學、中國電科第四十六研究所及奧趨光電技術（杭州）有限公司等機構，均積極投入PVT法生長AlN晶體的研究。基于大尺寸籽晶技術，實施同質(zhì)PVT的等徑生長，實現(xiàn)了直徑達102 mm的AlN單晶，并得到了面內(nèi)尺寸超過82 mm的AlN晶片，(002)XRD搖擺曲線半寬小于300 (″)/s；實現(xiàn)了高紫外透過率的AlN單晶襯底，直徑為43 mm、厚度為150 μm的AlN襯底265 nm吸收系數(shù)小于10 cm-1，達到國際先進水平。超寬禁帶半導體材料目前正處于前沿研究階段，高品質(zhì)、大尺寸襯底材料的制備是近期技術突破的重點，基于高品質(zhì)襯底生長的外延材料將成為器件制備的基礎，攻克器件制備工藝技術難點將為超寬禁帶半導體廣泛應用提供可能。作為最具有發(fā)展?jié)摿蛻们熬暗男滦桶雽w材料，超寬禁帶半導體的發(fā)展面臨著重大的挑戰(zhàn)與機遇。當前，金剛石半導體正在從研發(fā)階段推向?qū)嵱没趯嵋r底、輻照探測器方面有一定應用，但由于高質(zhì)量半導體金剛石材料制備、摻雜、加工、器件工藝等相關的科學和技術問題還沒有解決，金剛石的導電差且難以調(diào)控、晶片尺寸小仍是阻礙其半導體技術發(fā)展的瓶頸問題，金剛石半導體電子器件關鍵技術還沒有突破，應用市場還遠遠沒有打開。電子級金剛石產(chǎn)業(yè)化面臨的主要問題：一是金剛石的半導體級材料生長設備需要構建新型多目標微波諧振腔優(yōu)化方法，針對大尺寸、高均勻及高等離子體密度進行設備優(yōu)化，保證大尺寸下的高速高品質(zhì)生長；二是金剛石的高效體摻雜激活和室溫高性能pn結的實現(xiàn)仍然是世界級難題；三是金剛石是超硬材料，要實現(xiàn)硅或碳化硅拋光片的面型和粗糙度，達到“襯底級”標準，金剛石的磨削加工技術也需要大力攻關。氧化鎵材料具有超寬的禁帶寬度、超高臨界擊穿場強和抗輻照的優(yōu)異特性，成為推動功率器件微型化、輕量化的關鍵半導體，將在門檻較低、成本敏感的中高壓市場率先出現(xiàn)，如消費電子、家電及工業(yè)電源等領域。盡管氧化鎵單晶材料相對制備和加工難度低，但在電子器件方面還處于初始研究階段，仍有很多關鍵技術和科學問題亟待解決，如大尺寸單晶易開裂、材料低熱導率導致的強自熱效應、p型摻雜難、載流子遷移率低及異質(zhì)界面缺陷多等系列問題，器件性能距離理論值還有很大差距。氮化鋁具有極高的臨界電場、高關態(tài)阻斷電壓、超低導通電阻、超快開關速度，以及耐惡劣環(huán)境等優(yōu)勢，成為制備耐高壓、高溫電力電子器件的理想選擇，在汽車電子、電動機車、高壓輸電及高效功率轉(zhuǎn)換等方面具有較大潛力。盡管AlN單晶在光電及高頻高功率電子器件領域展現(xiàn)出巨大潛力，但其商業(yè)化生產(chǎn)仍面臨尺寸局限，目前主要停留在2英寸水平。同時，將自支撐AlN單晶從大型異質(zhì)襯底中精確分離出來，帶來了許多技術挑戰(zhàn)，需要在分離過程中精確控制各種條件，以確保單晶的完整性和優(yōu)異性能。當前，超寬禁帶半導體的材料生長和器件研制還處于初始階段，發(fā)達國家均瞄準這一半導體領域的發(fā)展新方向積極投入力量，中國與國際水平總體相當，差距不大。超寬禁帶半導體在單晶襯底制備、外延生長和異質(zhì)結構構筑、高效摻雜與導電調(diào)控、器件結構和關鍵工藝開發(fā)等方面還存在一系列關鍵科學技術問題。未來重點發(fā)展的研究方向主要包括：大尺寸、高質(zhì)量氧化鎵和金剛石單晶襯底材料生長，氧化鎵、金剛石等半導體薄膜的外延生長與性能調(diào)控，超寬禁帶半導體的n型和p型摻雜和高效激活，載流子遷移率提升機制和方法，高性能超寬禁帶半導體器件制備與異質(zhì)集成等。1）統(tǒng)籌發(fā)展與安全，啟動專項支持，加大投入強度，推進國家戰(zhàn)略導向的體系化基礎研究，全面系統(tǒng)布局超寬禁帶半導體在當前美國對中國金剛石等超寬禁帶半導體實施精準打擊、出臺新的出口管制辦法的國際背景下，應盡快啟動國家層面科技專項重點支持，通過目標導向的有組織研究，聚焦核心材料與器件“短板”，系統(tǒng)解決超寬禁帶半導體大尺寸單晶襯底和外延材料生長、器件設計和制備工藝、全套裝備和高精度加工等全鏈條的關鍵科學技術問題，以保障中國在2025年進入國際先進水平行列并實現(xiàn)自主可控，2035年中國在該研究方向上對美國技術封鎖形成戰(zhàn)略優(yōu)勢，適應當前半導體材料和芯片國際競爭形勢的迫切需要。通過重大項目的部署，以打造具有自主知識產(chǎn)權的工業(yè)體系和產(chǎn)業(yè)集群為目標，層層分解研究任務，發(fā)揮政府在基礎和應用基礎研究領域的主體責任，同時激發(fā)企業(yè)在工程化和產(chǎn)業(yè)化研究領域的投入。2）探索以有公信力的第三方機構牽引、銜接、組織各方創(chuàng)新力量，采用能夠根據(jù)形勢和任務不斷調(diào)整組織形式的柔性機制聚焦國家戰(zhàn)略，從產(chǎn)業(yè)需求及問題出發(fā)，以重大項目牽引，由龍頭企業(yè)牽頭、政產(chǎn)學研融合，以創(chuàng)新聯(lián)合體的形式組織聯(lián)合創(chuàng)新工程。依靠新型舉國體制，集中優(yōu)勢力量，系統(tǒng)思考和布局，促進資金、人才、項目、基地等各類優(yōu)勢資源解決“卡脖子”問題，構筑未來領先領域。在組織決策層面，統(tǒng)籌規(guī)劃，全國一盤棋，按照“職責與能力優(yōu)先”原則，分別確定細分重點領域的牽頭企業(yè)或牽頭研發(fā)機構，集中力量聯(lián)合攻堅。運作執(zhí)行層面，重點支持供給側(cè)平臺（產(chǎn)業(yè)基礎共性技術及生態(tài)培育類平臺）建設，扶持關鍵戰(zhàn)略方向共性技術研究及科技生態(tài)建設；同時加強基礎研究及中長期科學研究，開展關鍵理論與核心技術攻關。3）通過創(chuàng)新政策、科技金融牽引，形成系統(tǒng)創(chuàng)新能力，實現(xiàn)國家信用對研發(fā)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈和資本鏈的拉動，引導和整合社會資源投入應用基礎研究堅持“源頭創(chuàng)新-技術創(chuàng)新-成果轉(zhuǎn)化-企業(yè)培育”創(chuàng)新全鏈條。加強頂層設計，圍繞創(chuàng)新鏈完善資金鏈，構建科技資本鏈網(wǎng)。對產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)質(zhì)企業(yè)和研發(fā)平臺進行篩選，通過承接重大項目、基金投資等注入國家信用，在財政、稅收、金融、人才、法律、知識產(chǎn)權各方面得到政策支持。鼓勵企業(yè)與高等院校、科研院所建立前沿基礎研究創(chuàng)新中心，形成以企業(yè)為主體、高等院?？蒲性核榷喾搅α繀f(xié)同創(chuàng)新，培育新技術、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)、新模式。對企業(yè)開展相關基礎研究的經(jīng)費投入給予更大力度的稅收減免激勵。鼓勵產(chǎn)業(yè)鏈上下游機構、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和技術聯(lián)盟等通過成立基礎研究基金、接受社會捐贈、設立專項基礎研究項目、產(chǎn)業(yè)共性基礎研究專項等方式，圍繞產(chǎn)業(yè)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈等開展應用基礎研究，推動產(chǎn)業(yè)提升應用基礎研究能力。當前，全球正在經(jīng)歷新一輪電氣化進程。交通運輸、大算力設施等新興應用的快速布局，對更加高效、更加強勁的電能處理能力提出了迫切需求，這成為下一代電力電子系統(tǒng)研發(fā)的新動力。因此，需要及時布局以超寬禁帶半導體材料為代表的下一代戰(zhàn)略性電子材料及其器件、電路、系統(tǒng)的具有前瞻性、系統(tǒng)性、應用導向性的研究。超寬禁帶半導體的材料生長和器件研制仍處于初始階段，發(fā)達國家均瞄準這一半導體領域的發(fā)展新方向積極投入力量。中國與國際水平總體相當，差距不大。超寬禁帶半導體在單晶襯底制備、外延生長和異質(zhì)結構構筑、高效摻雜與導電調(diào)控、器件結構和關鍵工藝開發(fā)等方面還存在一系列關鍵科學技術問題。中國經(jīng)過數(shù)十家高校及研究院所的努力，前期積累了大量的科研成果及工程化經(jīng)驗，亟需針對該領域的未來發(fā)展趨勢和可持續(xù)發(fā)展能力，提前布局前沿方向，鑄造“長板”優(yōu)勢，搶占發(fā)展先機，對提升核心科技自主可控、掌握國際競爭主導權、維護國家安全等方面具有重要意義。
（來源：前瞻科技雜志 作者趙璐冰、吳玲）
