第三代半導體外延材料的產業化應用之路

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手機電腦快充器件、新能源車載電源、5G基站、MicroLED、深紫外LED……這些設備都離不開氮化鎵外延材料，這也讓該材料成為資本市場關注的“寵兒”。

根據相關市場調研機構的預測顯示，到2026年，全球氮化鎵電子和光電子材料和器件市場規模將突破423億美元，年均復合增長率約為13.5%。這意味著氮化鎵有望成為第三代半導體市場的“香餑餑”。

北京大學物理學院教授沈波團隊在學校的支持下，推動北京大學寬禁帶半導體研究中心的科研成果落戶順義區第三代半導體產業園，并以技術入股形式成立北京中博芯半導體有限公司（以下簡稱中博芯）。

日前，沈波在接受《中國科學報》記者采訪時表示：“2024年公司的主要任務是早日實現氮化鎵外延片銷售的大幅提升。”

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沈波 受訪者供圖

技術獲得認可

進入21世紀以來，以氮化鎵、碳化硅、氧化鎵、金剛石為四大代表的第三代半導體材料開始初露頭角。

禁帶寬度大、擊穿電場強、導通電阻低、電子遷移率高、轉換效率高、熱導率高、損耗低……這些優勢使得氮化鎵成為備受關注的第三代半導體材料。

1995年在日本取得博士學位后，沈波就開始從事氮化鎵外延片材料的研究，取得了突出的學術成就。沈波告訴《中國科學報》：“我們研究的落腳點就是要解決氮化鎵半導體走向實際應用面臨的各種關鍵科學技術問題，這也是我們半導體物理這個學科本身的特點。”

“氮化物半導體是一種寬禁帶半導體，主要制備方法是外延生長在藍寶石、硅等異質襯底材料上，外延材料中高缺陷密度成為氮化物半導體技術發展的關鍵瓶頸。”沈波團隊的主要研究圍繞大失配異質外延展開，包括襯底的圖形化技術等領域。

憑借氮化物半導體大失配異質外延技術，沈波團隊獲得2018年度國家技術發明獎二等獎，獲獎理由是，發明了有效提升外延質量的圖形化藍寶石襯底新技術和外延生長新方法，制備出部分質量指標國際領先的氮化物半導體外延材料，比較好地解決了襯底和氮化鎵失配的問題，并實現了產業化應用。

“實驗室里技術要變成企業產品，需要一個復雜的中試過程，此前我們一直跟企業合作，2020年我們在北京大學科技成果轉化管理部門的幫助下成立了中博芯。”沈波介紹，“從最初的5人到如今40多人，中博芯的技術產品已經獲得越來越多的認可。”

產品適銷對路

這些年來，沈波團隊在技術攻關的同時一直跟產業界保持密切合作，在他眼中，將技術成果轉讓給企業是成果轉化，自己親自參與創業也是成果轉化，后者比寫一篇論文更復雜。

沈波發現，公司在技術領域已經沒有特別大的困難，要打開市場，除了高性能外，產品適銷對路更重要。

企業內部管理、產品市場銷售、跟社會和政府打交道……這些對沈波來說有點困難，用他的話來說：“大學教授也得從頭開始學。做實驗有時候為達到指標而不計成本，做企業需要關注質量、關注訂單、關注客戶，企業生產需要標準化、可重復的工藝技術，才能更好地適應市場形勢變化。”

“雖然我們在實驗室已經將技術產品打磨得很好，但批量生產更看重成熟穩定的產品輸出，而不完全是實驗室那些高要求下產出的亮眼指標。”沈波告訴《中國科學報》，“創業的第一步是將技術落地變成產品，第二步是打開市場完成銷售，第三步是擴大規模實現盈利，現在中博芯處于第二個階段。”

據了解，中博芯已經擁有LED外延用高溫MOCVD、大尺寸Si基GaN外延用MOCVD、4英寸芯片線，以及各類半導體分析測試設備，涵蓋了從外延生長到芯片制備等產業鏈上各環節。

“現在，公司有專業的運營管理團隊，我除了公司工作外，依然在北京大學從事教書育人和科學研究。”在創業的同時，沈波并沒有耽誤科研工作。

2023年6月，沈波團隊在氮化物寬禁帶半導體大失配異質外延研究上獲重要進展——創新發展了一種“可控離散和可控聚合”的外延方法, 相關研究成果發表于《自然-材料》， 并榮膺2023年度“中國半導體十大研究進展”。沈波說：“由于前期創業的基礎，這些新的成果也很順利地快速投入公司的產品開發和應用推廣。”

資本早期介入

盡管中博芯的成立時間不長，但在其成立之初就收獲了資本市場的關注。

由北京大學與北京科創基金合作組建北京大學科技成果轉化基金——元培基金就是陪伴中博芯成長的一支耐心基金。該基金規模10.02億人民幣，用以聚焦北大重大原始創新項目，支持原始創新從實驗室走向市場。2019年，沈波在申請校內科技成果轉化的過程中，元培基金就主動找上門。

“我們在關注第三代半導體材料的時候，就已經了解到沈波及其帶領的北京大學寬禁帶研究中心是國內氮化鎵材料研發技術實力最強的團隊之一。”元培基金董事總經理潘峰告訴《中國科學報》，“沈波團隊在技術水平、投資規模、產品領先性等方面均占優，這也是我們投資的主要考量。”

談及資本市場為什么關注氮化鎵外延材料，潘峰表示，目前國內的氮化鎵外延材料發展處于產業化應用的初期，已經在5G基站、手機快充領域實現了較為普遍的應用，未來在數據中心電源、汽車電源、新型顯示領域，還有著廣闊的應用前景。

“在氮化鎵外延材料這塊，國內團隊的技術已經處于全球領先水平，市場需求卻沒有得到充分滿足，整體供應偏緊張，主要原因是外延材料生長過程中的技術難度較高，對設備、工藝、材料理解等各方面都是全新的挑戰。”潘峰指出，如今主流的氮化鎵外延材料所用的襯底包括硅襯底和碳化硅襯底兩類，硅襯底價格便宜，但產品性能不足；碳化硅高溫高頻等各項性能優異，但碳化硅襯底成長慢、尺寸小、良率低，導致成本過高，下游市場接受難度較大。