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氮化鎵襯底晶片實現“中國造”

蘇州納維科技有限公司

蘇州納維生產的4 英寸GaN 單晶襯底

■本報見習記者 高雅麗
一枚看似不起眼、“又輕又薄”的晶片,卻能做出高功率密度、高效率、寬頻譜、長壽命的器件,是理論上電光、光電轉換效率最高的材料體系。這個“小身體大能量”的晶片叫作氮化鎵(GaN)襯底晶片,是蘇州納維科技有限公司(以下簡稱蘇州納維)的主打產品。
“不會游泳的時候就跳下了水”

蘇州納維依托中科院蘇州納米所而建。作為中國首家氮化鎵襯底晶片供應商, 團隊從氮化鎵單晶材料氣相生長的設備開始研發,逐步研發成功1英寸、2英寸、4英寸、6英寸氮化鎵單晶材料,實現了氮化鎵單晶材料生長的n型摻雜、補償摻雜,研制出高電導率的和半絕緣的氮化鎵單晶。

中科院蘇州納米所所長特別助理、蘇州納米所測試分析平臺中心主任、蘇州納維董事長徐科對《中國科學報》記者說:“通過10年努力,我們在氮化鎵晶體結晶質量與塊體材料電子遷移率等綜合指標方面均步入國際第一方陣,2英寸氮化鎵產品開始批量生產銷售,2017年在國際上率先推出4英寸氮化鎵單晶襯底,用戶覆蓋了國內外80%以上的研發機構和企業。”
現在公司的發展蒸蒸日上,而回想起自己剛剛“下海”開始做科研成果轉化時的情景,徐科直言“不會游泳的時候就跳下了水”。

徐科從1995年開始做氮化鎵材料生長研究,2004年回國后曾任教于北京大學物理學院。他說:“當我回國的時候,氮化物半導體的產業發展非常快,當時回來的定位就是瞄準產業發展瓶頸選擇方向。”

憑著精準的觸覺和創業的夢想,徐科毅然辭去北京大學的職務來到蘇州,成為最早加入蘇州納米所的幾個研究員之一。“氮化鎵單晶材料生長難度非常大,那個時候國際上只有少數幾個大的企業能夠拿出樣品,只有日本住友能夠提供產品,我們一開始也沒有絕對的信心一定能夠研發成功。”徐科說。

作為蘇州納米所開始籌建后成立的第一家產業化公司,所長楊輝當時非常關心公司的研究進度,經常在上下班路過實驗室的時候與研發人員討論問題。

“創業公司的一個研發問題,最好能夠在三個月內解決,否則會影響士氣。”徐科至今都記得楊輝對他說的這句話。在研發過程中,他們也這樣實踐著。
徐科說:“遇到問題就集中攻關,經常就一個問題討論到凌晨三四點鐘,終于花了不到三年的時間,我們拿出了第一片完整的2英寸氮化鎵單晶材料。”一鼓作氣、敢于攻堅克難逐漸成為蘇州納維員工的做事風格。
集中攻關推進產業化

從成立至今,蘇州納維已經走過10個年頭。徐科說:“在創業的前兩年,我們經歷了一個熱血沸騰、感到無所不能的階段。當時有資金、有精力、有想法,認為辦法總比困難多。”
兩年之后,當研發進入實質性的技術攻堅階段,他們卻發現“困難總比想法多”。“一方面是對氮化鎵生長的很多基礎科學問題理解得還不夠,另一方面是一些看似簡單的工藝過程,很難穩定實現,或者發現實現的成本太高,無法在生產中應用。不僅如此,我們還有一些‘按下葫蘆浮起瓢’的問題,解決了這個問題,卻引出后道工藝的其他新問題。”徐科告訴記者。
從第一個樣品到用戶愿意試用的產品階段,往往是科技成果轉化的“死亡之谷”。這個階段里,很多的細微技術環節要不斷地改進和優化,需要大量的設備、人力和資金投入,研發模式完全不同于一般的科學研究,資金需求量也與前期研發有數量級的差別,這也是很多科研人員出身的創業者不擅長的階段。

“這個階段我們花了6年時間,曾多次面臨資金鏈斷裂。”徐科坦言,“不過我們非常幸運,從早期的蘇州工業園區領軍人才項目、蘇州市姑蘇人才項目、江蘇省重大科技成果轉化項目,到科技部的‘863’項目、中科院的STS項目、發改委的戰略性新型信息材料產業化項目,一路支持下來,每次都救我們于水深火熱之中,終于熬到了有銷售收入、風險投資機構能夠看得上并愿意投資的階段。”

對于當前的蘇州納維,公司主要精力集中在提升良率、降低成本、提升產能、提高客戶服務能力上。徐科說:“我們的產品在技術水平上已經站到了國際先進行列,2016年12月美國加州大學研究組在《應用物理》雜志(Journal of Applied Physics)上公開評價了國際上2英寸氮化鎵單晶產品的質量,蘇州納維的2英寸氮化鎵名列第一。”
雖然產品已經逐步走向成熟,但氮化鎵單晶襯底的價格仍然很高,全球企業用戶數量有限,企業級客戶主要被日本的住友和古河機械壟斷。徐科說:“現在我們的主要客戶在研發市場,大概占領了國內研發市場的60%左右、國際研發市場的10%左右。2016年公司開始逐步進入企業客戶的試用階段,預計2020年能夠獲得20%左右的企業客戶市場份額。”
目前公司用戶數量有300多家,基本上包括了國際上所有的氮化鎵單晶襯底應用研究機構和企業,未來這些領域都將形成千億量級的應用市場。
基礎研究不能丟

“我記得郝躍院士有一次和我們講,‘一件事情的成功,10%取決于經費,40%取決于團隊,50%取決于堅持’,這個話很適合我們。取得這樣的長足發展,很大程度上得益于研究所的支持、蘇州扶持產業的優越政策環境。”徐科表示。
公司在創業初期,得到了中科院聯想之星的培訓,預先了解成果轉化的難點,從思想到戰術上都有了準備。徐科說:“我在工作中體會很深的一點是,在半導體行業,要做成果轉化,基礎研究不能丟,而且更要做深、做透,然后才能真正駕馭產品性能,才能說服客戶。”在基礎研究方面,我們的研究成果2016年入選國家自然科學基金委信息學部優秀成果匯編。

“我們能夠堅持下來,主要是一直相信氮化鎵單晶材料是氮化物半導體產業發展不可或缺的要素,我們要在新一代半導體技術上趕超別人,一定要把材料做好,我們中國人一定要攻下這個山頭。”徐科說。

采訪中記者發現,公司有個叫作“加油GaN”的口號。徐科解釋:“氮化鎵的元素符號是‘GaN’,正好是‘干’的漢語拼音。”

對于未來發展,蘇州納維公司也作好了“藍圖”規劃。徐科說:“我們未來三年的重點是將技術優勢轉化為市場占有率,以高質量的氮化鎵單晶襯底推動第三代半導體產業向縱深發展。公司長遠的目標是產品水平持續保持國際前兩位、市場占有率達到30%以上,逐步夯實在氮化物半導體材料生長裝備、工藝技術、應用開發等方面的系統創新突破能力,成為一家在新型半導體材料和應用技術發展中持續作出貢獻的偉大公司。”
《中國科學報》 (2018-01-29 第6版 院所)

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