采访者简介：何志，美国密西根理工大学Phd，曾任IR(国际整流器公司)研发工程师。多年从事材料、工艺和设计等诸多半导体技术的前沿研发，尤其对功率半导体研发有独到的见解和实际工作经验。2011年回国在中科院半导体所工作从事半导体材料研究工作，研究方向为第三代半导体器件。 最近，就第三代半导体材料双雄氮化镓/碳化硅的技术发展和产业化问题，何志博士在上海接受了记者)的独家专访。

记者：全球有40%的能量作为电能被消耗了, 而电能转换最大耗散是半导体功率器件。我国作为世界能源消费大国, 如何在功率电子方面减小能源消耗成了一个关键的技术难题。伴随着第三代半导体电力电子器件的诞生，以碳化硅和氮化镓为代表的新型半导体材料走入了我们的视野，你作为半导体材料方面的专家，能否就这两种新材料给我们扫一下盲?

何志：早在1893年诺贝尔奖获得者法国化学家亨利莫桑(Henri Moissan)在非洲发现了晶莹剔透的碳化硅(SiC)单晶碎片。由于SiC是硬度仅次于金刚石的超硬材料，SiC单晶和多晶材料作为磨料和刀具材料广泛应用于机械加工行业。作为半导体材料应用，相对于Si，SiC具有10倍的电场强度，高3倍的热导率，宽3倍禁带宽度，高一倍的饱和迁移速度。

简单来说，SiC半导体材料在三个方面被认为具有很大的市场潜力： SiC同质外延用于高电压大功率电力电子器件;高阻SiC基体材料用于生长GaN HEMT射频器件;在SiC基体材料上生长GaN LED高亮度LED外延。

从80年代开始以美国CREE公司为代表的国际企业就开始专注于半导体应用的SiC材料商用化的开发。2000年起英飞凌首先开发出600V SiC肖特基二极管(SBD)与其COOLMOS配套使用与通讯电源的PFC应用拉开了SiC电力电子器件市场化的幕布。随后CREE，ST，罗姆等企业也纷纷推出了SBD的全系列产品。从2014年开始CREE，罗姆，GE开始在市场上推广MOSFET器件。

氮化镓(GaN)因为缺乏合适的单晶衬底材料，基本上是在蓝宝石，SiC或者Si的基板材料上采用MOCVD或者MBE等外延技术生长出基本的器件结构，由于是异质外延，因此材料缺陷比较多，位错密度比较大，在上世纪90年代以前发展缓慢。进入90年代以后，日本在LED应用技术上取得了巨大的进展，特别是在中国大陆在过去10多年LED市场的高速发展，带动了GaN材料产业的产业化进程。

由于CREE在电力电子用碳化硅材料和器件的垄断地位迫使很多功率企业采取GaN技术路线作为下一代功率半导体器件的发展方向。为了降低成本，基本上采用Si衬底上生长GaN外延并采用成熟的CMOS兼容工艺制备器件。近年来GaN的单晶基体材料也有了突破进展，已经能够生长出2英寸外延。美国曾经有一家企业AVOGY曾经试图采用GaN同质外延生产PIN功率二极管和其他开关管，但是由于材料成本昂贵，并不成功。目前GaN单晶材料主要还是用于光电器件，比如激光器和太赫兹等领域。

SiC和GaN电力电子器件由于本身的材料特性，各自都有各自的优点和不成熟处，因此在应用方面有区别 。一般的业界共识是：SiC适合高于1200V的高电压大功率应用;GaN器件更适合于40-1200V的高频应用。在600V和1200V器件应用领域，SiC和GaN形成竞争。

如果说在电力电子器件方面，SiC和GaN存在着竞争，那么在射频器件和射频IC方面，SiC和GaN是完美的一对儿，基本材料结构是在高阻(高纯度)的SiC基体上生长GaN外延。图一这张表比较了SiC, GaN和Si作为半导体材料应用的特征参数。

▲图一、SiC, GaN和Si作为半导体材料应用的特征参数的比较

记者：最近接连有消息报道，在美国和欧洲，氮化镓和碳化硅技术除了在军用雷达领域和航天工程领域得到了应用，在电力电子器件市场也有越来越广泛的渗透。氮化镓/碳化硅技术与传统的硅技术相比，有哪些独特优势?

何志：大家最近都在谈论摩尔定律什么时候终结?硅作为半导体的主要材料在摩尔定律的规律下已经走过了50多年，寻找新的半导体材料替代硅已经成了近些年半导体发展的方向之一。

在整个功率器件的发展过程中，第一个可控硅在1970年问世。随着时间和技术的推移，功率密度要求逐渐提升，后面经历了晶体管向MOSFET的演变，到上世纪90年代末出现了IGBT。半导体技术的不断进步，不仅提高了产品性能，同时通过缩小芯片面积降低了成本。然而到2000年的时候业界就提出硅基产品已经快达到物理极限，进一步提高产品性能，工艺的复杂性带来的成本升高不能抵扣芯片面积的缩小，从而芯片成本提高。

未来如何突破Si材料的极限?人们把目光瞄向了以氮化镓和碳化硅为代表的宽禁带半导体材料，这种新材料可以满足提高开关频率和增加功率密度的要求。

下图比较了SiC，GaN和Si材料FOM的极限。

▲图二、SiC，GaN和Si材料FOM的极限

从具体材料来看，SIC器件的结构与传统的Si器件结构非常类似。可以说SiC器件就是利用其材料临界电场高，高载流子迁移率的特点，采用非常薄的外延就可以承受更高耐压，比如600V器件，可以用9um外延即可，而Si器件需要50um左右外延，这就大大降低了导通压降或导通电阻。

GaN器件有所不同。目前业界通常是采用MOCVD生长AlGaN/GaN异质结外延，由于材料的压电和自身极化效应，在异质结界面产生高密度二维电子气，形成开关管的沟道。因此器件是个平面器件，除了在器件FOM比Si器件更具有优势之外，还很容易与其他器件集成制备IC器件。比如最近Navitas和Dialog都实现了驱动IC和GaN开关管单芯片集成，大幅降低了用户使用的技术门槛。

记者：除了军方市场，我们可能更感兴趣氮化镓/碳化硅技术能给我们带来哪些新兴市场机会，比如工业制造4.0、新能源汽车、智慧家庭、移动通讯以及健康医疗等，有哪些市场热点和切入点?

何志：从技术上来看，碳化硅和氮化镓器件突破了Si基器件的物理极限，为新型的电源拓扑结构提供了更大的拓展空间。但从能量效率的提高上来看，SiC和GaN器件相对于Si器件并不能够提高更多。但是采用使氮化镓/碳化硅技术后，可以把工作频率从100KHZ提高到兆赫兹，可以大幅缩小电源尺寸，提高功率密度。这符合了电子产品短小轻薄的发展趋势。比如，超薄电视，显示方案完全可以把电视做的更薄，但是受到电源尺寸的限制，如果采用SiC或者GaN器件，就可以大幅减小电源尺寸打破这种制约。

另外一个值得关注的领域是无线充的应用。消费类电子市场的渗透，可以扩大GaN和SiC器件的出货量，从而进一步降低器件的价格，形成了市场和技术的良性循环。而且消费类电子的可靠性要求相对没有工业级和汽车级电子高，器件产品可以更快的进入市场，创业型的设计公司可以在短时间内形成销售，满足投资人的期待。所以消费类电子的电源方案是SiC和GaN器件的非常合适的切入点。

在工业级电子上，采用第三代半导体器件实现电源的高频应用，可以简化电源方案，提高能量转化效率，值得关注的应用包括通讯电源，光伏逆变器和新能源汽车充电桩和无线充电方案。工业级器件可靠性评估时间长，更适合一些上市公司和国企作为一个中期的目标产品。

SiC的高压肖特基二极管应该是在几年内在轨道交通中得到引用。而开关管的应用需要更长的系统评估。中车和国网在这方面的持续投入研发为SiC功率器件研究打下了深厚的基础，是国家第三代半导体器件发展的中坚力量。

现在大家讲第三代半导体产业往往关注于电力电子器件和射频器件的市场，其实第三代半导体在光电产品和特种传感器应用也具有巨大的潜力，比如激光器的应用。我个人非常看好GaN单晶衬底和激光显示的未来前景，这会给人民的未来生活带来革命性的改变，直接带动VR，AR等产业的发展。所以第三代半导体产业的这些应用领域也需要关注。

记者：作为一个完整的半导体工业产业链，材料和设备处于产业链的最上游，这也是我们最薄弱的地方。我国的GaN和碳化硅技术起步较晚，但也走过了十几个年头，能否谈谈我国碳化硅氮化镓技术的发展状况以及产业化的瓶颈在哪里? 你对我国的氮化镓/碳化硅技术实现产业化有哪些建议?

何志：我们首先大致分析一下国内第三代半导体产业链的每个环节，比较国内国际的优势、劣势，才能找到机会参与到国际竞争，在竞争中成长壮大。从整个国内第三代产业链上来看，我们在上游材料包括SiC、GaN单晶材料，外延其实与国际先进水平的差距并不大。在GaN单晶衬底方面甚至与国际一流水平同步。这得益于国内有一批科研院所，如山东大学，中科院物理所，半导体所等单位在SiC单晶材料，北大和中科院纳米所在GaN单晶材料的多年积累。

几年来，大量留学生回国创业也带来了国际先进的外延技术，在苏州地区形成了一个GaN外延材料的企业集群。同时又大量LED企业未来拓展其产业领域，也开始投入到Si基GaN和SiC基GaN外延的研发。 目前在国内形成了天岳和天科和达 (SiC单晶)、天域和瀚天泰成(SiC外延)、纳微和中镓(GaN单晶)、晶湛和晶能(GaN外延)等有实力的企业。这些为国内第三代半导体产业稳定地与国际同步发展甚至未来领先国际打下了基础。

我们在产业链的最下游的应用市场呈现一种非常有趣的现象：既可以说跟国际同步，也可以说落后国际水平。落后是因为国内缺乏原创思想和概念，这大概是中华文化中庸思想的症结：缺乏承担创新失败的勇气，所以总是一个跟随者。

那为什么说是国际同步，国内的电子产品市场应该是世界上最活跃的和最“没规矩”的：虽然没有原创思想，却又有世界上最快的反应速度。比如说FINSIX提出微小适配器的方案之后，自己众筹3、4年今年就把产品投放市场。我14年底就在淘宝买到了一个山寨版，一直配我的苹果笔记本用，不发热，已经使用了一年多。

另外一个朋友买了打开分析后告诉我就是把EMI保护给省略了。这就是正规军和游击队的打法区别，其实只要产品是安全的，在细分应用上是可以省略用户体验不到的环节的。如果按照常规的电源产品的认证过程，一个创业公司很难迅速打开市场，很难跟一个建制完整的国外企业竞争的。所以与国际大鳄企业竞争，中国灵活的电子市场的无限机遇在游击战法上能够得到更大的发挥。

比较复杂和困难的环节是芯片设计和制造。如何有效地整合资源建立一个健康的体系，建立龙头企业，找准突破口产品，这就是国内目前的发展瓶颈。

这个环节面临的挑战与微电子行业面临的问题很多是一样的。更加复杂的是，中国半导体行业的传统过分的区分光电子和微电子两个领域，整个行业缺乏沟通。GaN和SiC通常被归到光电子，而现在的电力电子和射频器件又是传统的微电子行业。都是半导体物理那点事，何必光电子和微电子分的那么清楚呢!士兰微同时具有LED生产线和微电子生产线，因此在电力电子方面发力GaN器件就具有先天的优势。

对于其他企业，比如LED企业跨界微电子，微电子企业从Si向第三代半导体延伸，往往缺乏思路。国家通过关键科技攻关项目组织相关的光电子企业和微电子企业合作，客观上起到了牵线搭桥整合国内资源的作用。第三代半导体相关的的联盟机构协助地方政府建立SiC和GaN先进工艺平台，大幅降低创业企业的开发成本，推进SiC和GaN产品市场化的速度。

作为工程人员在技术开发上要立足于小的技术节点一点点的攻关。这里要向政府科技项目建议，不要盲目追求所谓有显示度的空洞项目，比如多少多少伏 MOSFET，IGBT，而应该突出单步关键工艺的开发。现在有些项目我称之为“断子绝孙”的项目，枉顾具体工艺问题没有解决的现实，直接按照理想器件的终极指标立项。一切都是为了能够得到项目，根本不考虑项目结题。更不好的是，这样断绝了很多更具体可行项目立项的可能。

比如，我们在跟地方科委讨论是否要对SiC 栅氧化膜工艺立项研究的时候，就被质疑，1200V MOSFET器件都已经已经支持过了为什么还要支持这个工艺。所以除了科研人员要自律之外，在科研项目的支持上应该建立一个专业负责的专家团队，同时科研项目立项论证的时候，就要以具体的科学和工程技术问题解决为目标。

对于第三代半导体创新创业企业，有一个建议：不要在天使轮和A轮估值过高，为持续的融资保留升值空间。第三代半导体企业在短期内爆发性增长是不现实的，要做长期奋斗的准备。

在大力推广GaN和SiC第三代半导体产业的同时，要警惕投机利用这个话题弄虚作假忽悠项目，利用政府的产业支持政策谋取利益。

最近我们在很多媒体上看到某些不靠谱的报道，某些企业一夜之间就完成基体材料、外延材料，器件、模块封装甚至电源方案的全部技术突破，并定型产品。真是这样吗?这让CREE工作20-30年的工程师情何以堪?这样的后果几年以后就会破坏整个第三代半导体行业的名声，严重阻碍了第三代半导体的健康发展。

记者：最后一个算附加问题，你回国做科研或创业有四、五个年头了，作为海归能否谈谈在国内做科研有哪些深刻体会，海归创业有哪些优势与劣势?

何志：在我5年的回国经历应该是比较独特的，如果按照社会上对于成功的定义，我基本上算作海归里面不成功的。但是我自己感觉在这5年的过程中，收获颇丰，不仅仅是创业过程中的心得，即使在技术上没有放弃创新突破，特别是做了一些非常有意思的跨界技术。

我个人觉得留学海归相对于国内的科研人员在对待科学问题和技术问题上更纯粹，比较求道。而且人生追求和科研目标很清晰，有非常强的时间观念和团队合作观念，效率非常高。而国内科研人员比较随意，没有时间观念，比较独，缺乏沟通和表达，项目完成效率低。

而且很多海归就是海外公司资深的一线研发人员，也是在技术竞争中闯出来的，经历过一代代产品的开发到市场销售的全过程;更深入理解器件性能，掌控关键设计、工艺、应用的技术细节，能够更快的跟上市场变化，更快地推出产品。

但是海归要自己认识到，技术领先是由于海外的体系优势支撑的，技术是有寿命的会逐步变得不领先。回到国内，没有一个体系支撑，如何保持持续的研发能力，保持综合优势是每个海归面临的最大课题之一。

我个人还是比较幸运，在科学院里面结识了一批志同道合的朋友，相互启发做出了一些新的技术，有些技术完全是在全新的领域开发出的黑科技。这一点我还是蛮自豪的，在这个环境里能够保持研发的能力。我可以自信的说和五年前相比，我更值钱了。

海归创业在市场拓展和技术上还是具有相对优势的，然而把这些优势充分发挥出来需要一个完整的团队体系。像创立AOS那样，成建制离开Vishay复制一个完整运营模式才真正能够迅速成就一个事业。所以团队建设是创业能否成功的关键。

海归创业初期最大的本钱就是从国外带回来的技术，强大的技术优势是成功的基石之一。同时避免公司的存亡过分依赖于某单一技术和产品的开发，直接做SiC和GaN功率器件，市场接受程度没有那么快;Si基VDMOS不那么高科技，但是如果有需求，不妨先卖起来把公司运营起来，毕竟公司的生存是靠销售而不是项目经费。即使海带回当时国外最先进的技术，产品技术是有时间寿命的，因此必须考虑下一代两代产品的开发路线图，这样产能保证公司的可持续发展，而不是只做“一代拳王”。

上面是自己海归五年来的一些体会，零散纷杂但发自肺腑。我们目前正在按照既有的目标一步一步的往下走，虽重重困难但我们仍积极乐观。最后一点希望，很多海外公司各部门回来很多大牛，都散落到各地做千人当百人创立各自的公司，其实这是个巨大的资源浪费。如果通过投资机构或者其他经济资源整合这些力量，就能形成合力，真正地在市场上与国际大厂分庭抗礼。

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