“第三代半导体材料？是收音机吗？我们早就不听收音机了呵。”

提到半导体或第三代半导体材料，这是大多数人的第一反应。

第三代半导体材料看似专业、高深，可实际上，人们在现代生活的各个角落都能看见它，比方说家用LED灯。

那么，第三代半导体材料到底是什么？它是如何走进日常生活的？未来这种新材料还会给我们带来怎样的惊喜？在北京市第三代半导体材料及应用工程技术研究中心（以下简称工程中心）的实验室里，谜底逐步揭晓。

第三代，厉害了！

穿上隔离服，戴上头套、口罩，进入实验室的人都必须“全副武装”，目的是保持实验室内的空气洁净度。

即将进入的实验室，是工程中心的LED芯片制备实验室。

2014年，工程中心由北京市科委支持，在中科院半导体照明研发中心的基础上正式组建，旨在建立首都第三代半导体新材料、新器件和新应用的工程化研究平台，主要研究领域包括氮化镓、碳化硅等半导体材料，及基于它们制成的微电子、光电子应用系统。

氮化镓，是半导体材料被列入“第三代”的一个标志。在我国半导体行业里，人们约定俗成地把半导体材料分成了三代。第一代半导体材料以硅（Si）和锗（Ge）等半导体为代表，奠定了微电子产业基础。第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表，奠定了信息产业基础。而第三代半导体材料则是以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表。

“不过，第三代并不是要取代第一代、第二代，它们之间是互补的。”在正式参观前，工程中心主任王军喜介绍，“第三代半导体材料具备禁带宽度大、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，是固态光源和电力电子、微波射频器件的‘核芯’，可以用在半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域。”

工程中心研发的目标，就是要解决第三代半导体行业共性关键技术，建立基于自主知识产权的氮化镓光电器件和功率器件技术平台，开展应用示范，形成第三代半导体技术研究和产业人才的培养基地。

通过风淋室，身上附着的灰尘都被吹净后，实验室的大门才能被打开。第一眼看到的是一张LED材料研究流程图，按照这个流程可以把第三代半导体材料生产出来，并“变”成可用于道路、电视、投影仪的LED器件。

新材料，变身！

实验室里，同样“全副武装”的科研人员来来回回地操纵着仪器，时不时会相互交流讨论一下技术操作事宜。尽管这些科研人员都被口罩和防尘服的帽子遮住了大半个面孔，他们的声音却都透着年轻人的精气神。

年轻是工程中心的一个特点。目前工程中心有固定人员88人，博士后、研究生40人，40岁以下的人员占了65%。在这些年轻人的手中，我国的半导体新材料技术越来越强。

在基础材料技术研究部，一位年轻的科研人员正拿着红色和黑色的电极，测试着刚做出来的直径两英寸大小的圆形膜材料。

这个圆形材料是蓝宝石基氮化镓LED结构材料，是以蓝宝石作为衬底，上面铺了几十层氮化物制成的。材料的直径上均匀地分布着7个小点，科研人员把红色电极固定在直径的一端，黑色电极沿着直径触碰材料上的“点”，发出蓝色或是绿色的光。亮了，就可以初步判断材料的性能是好的。

跟着材料流程图，来到了芯片室。在这里，材料会被送进一台被称为“金属有机物化学气相沉积”（MOCVD）的设备，变成“LED外延片”。

MOCVD是加工制备半导体材料、薄膜的重要仪器。“目前，工程中心已经可以基本实现MOCVD关键装备的国产化。”工程中心副主任伊晓燕说。

在仪器附近的桌子上，一个蓝色的托盘里，整齐地摆着几个LED外延片，看起来像金属片一般，它们已经经历了台面刻蚀、氧化硅保护、减薄抛光、反射镜制备等环节的“历练”。

这些LED外延片也是直径2英寸的圆板，上面密布着1000多个1平方毫米大小的芯片。每一个芯片的性能都可以从一台电脑上直观地显示出来。如果芯片再小一些，这种两英寸的LED外延片，最多可以制备出4万多颗小芯片。

经过激光划片、扩膜等处理后，LED外延片薄得几乎没了厚度，上面的小芯片也相互独立开来。“每个1平方毫米的小芯片都可以制成一个1瓦的灯泡，亮度相当于10瓦的白炽灯。”伊晓燕说。

接着，实验人员会通过胶体把小芯片粘结在支架的指定区域，形成热通路或电通路，再铺上荧光粉和第二层胶，把小芯片们封装成为成品。这些成品，就是制造LED灯或显示屏等产品的关键元器件。

发光吧，半导体！

最后一步，应用。从工程中心走出去的新材料器件，正走向医疗、通讯、农业等民生相关领域。

“工程中心建立后，更加重视科研活动与行业需求的匹配度，研发工作也以市场需求为导向。”王军喜说。

在LED灯刚兴起的2014年，社会上出现了LED灯蓝光危害的言论，于是工程中心制出7种针对猕猴视觉试验专用的LED光源灯具，帮助科研人员确定了正常使用情况下不同颜色的LED光源对视觉及脑高级认知功能的影响，确定了长期使用LED灯源的安全上限，不仅正面回击了谣言，也推动了LED产业的发展。

不仅如此，在北京，工程中心以快繁组培植物工厂所生产的非洲紫罗兰、槲蕨等材料为光照对象，设计了10种灯具，使3家试用的种苗公司节能70%、增产20%。在东北，工程中心设计了大田作物补光灯具，弥补了东北作物光照不足的问题。目前，这种灯具已被东北农业种植户广泛使用。

王军喜介绍，工程中心的研究重点侧重于深紫外固态光源技术、超高能效光源技术、电力电子应用技术、智能光源技术等领域。

“深紫外光，人眼是看不见的，但是可以用于杀菌消毒，未来可以应用在污水处理、食品加工、医院等行业。”王军喜说。据估算，这一技术未来的市场价值可达千亿元级别。

为了克服技术难点，工程中心集中了国内多家单位的力量攻坚克难。“以中心为平台，可以更好地汇聚全国创新资源，实现学科交叉、科研合作，为提升科技实力、国际影响力发挥更大的作用。”王军喜说。

在通讯方面，第三代半导体材料也能发挥作用。“我们可通过LED照明光源传递信息，例如当你在大超市购物时，光通讯技术就可以告诉你，你想买的东西在什么位置。”王军喜说。

未来，第三代半导体材料还将带给我们更大的惊喜。如果有一天，你发现，车灯也成了传递信号的通讯工具，行驶中遇到突发情况不再需要鸣笛时，不必困惑，那很可能就是第三代半导体材料的智慧。

科研人员在做实验

工程中心要解决第三代半导体行业共性关键技术

测试半导体材料性能