什么是宽带隙半导体材料

宽带隙半导体，一般把室温下带隙大于2.0eV的半导体材料归类于宽带隙半导体，宽带隙半导体在蓝、紫光和紫外光电子器件，高频、高温、高功率电子器件及场发射器件方面应用广泛。

室温下，Si的带隙为1.1eV，GaAs的带隙为1.43eV，一般把室温下带隙大于2.0eV的半导体材料归类于宽带隙半导体，宽带隙半导体在蓝、紫光和紫外光电子器件，高频、高温、高功率电子器件及场发射器件方面应用广泛。

西安电子科技大学教授郝跃和他带领的宽禁带半导体技术科研团队，依托宽带隙半导体技术国家重点学科实验室，开展宽禁带半导体材料与器件的应用基础研究，实验室已成为国内外宽禁带半导体材料和器件的科学研究、人才培养、学术交流、成果转化方面的重要基地，是西安电子科技大学微电子学与固体电子学国家重点学科、“211工程”重点建设学科和国家集成电路人才培养基地的重要支撑。

敏锐洞察微电子前沿

上世纪，信息科学技术蓬勃兴起，作为信息时代技术基础的集成电路——微电子技术成为大热门。彼时，在微电子领域已崭露头角的郝跃却敏锐地感觉到，传统的微电子技术研究已经遇到了问题。

以硅为半导体材料的集成电路技术基础研究成为关注的核心。一方面，随着集成电路的集成度每18个月翻一番，使半导体器件和材料基础研究高度依赖于工艺条件，高校的优势慢慢丧失；另一方面，随着相关技术产业化和行业市场的迅猛发展，集成电路技术的开发应用已迅速成为企业的天下，高校乃至研究院所都很难成为主导力量。

寻找新的方向，是学术带头人郝跃直觉到的内在要求。他把目光转向化合物半导体，并最终聚焦到国际上刚起步的宽禁带半导体材料——氮化镓、碳化硅。他看到，宽禁带半导体材料研究可以把电子学与光学紧密结合，必然具备单纯的电子学或光学不具备的优势，同时也有很高的学术和应用价值，容易形成先发优势。

2000年前后，郝跃到美国进行学术交流，他留心考察了美国相关研究的最新动态，发现他们的氮化物宽禁带半导体材料研究也还处于起步阶段。这更加坚定了他的决心。回国后，他毅然宣布，全面转向新的研究方向，宽禁带半导体材料与器件。

据实验室的青年教师马佩军回忆说，这无异于一颗重磅炸d，在学院里引起了不小的震动，很多人都无法理解。当时作为郝跃老师的博士研究生，马佩军也觉得非常突然和吃惊。宽禁带半导体是个新鲜事物，没有人能预料它的发展前景。一没有研究基础，二没有经费支持，在马佩军看来，这一新的未知领域充满风险。

尽管争议很大，但是郝跃非常坚决。没有经费筹措经费，没有条件就创造条件，举全力投入。同事和学生们都感叹，郝老师胆识过人，决策果断，他看准的事情绝不拖泥带水。

短短几年的时间就已证明，当初郝跃带领他的团队爬上的这座山头是个宝藏。氮化镓、碳化硅化合物半导体材料，也就是宽禁带半导体材料，很快被定义为“第三代”半导体电子材料，它翻开了世界微电子学科和微电子产业全新的一页。

自主搭建创新平台

刚开始关于宽禁带半导体材料氮化镓的研究，摆在郝跃面前最大的问题是没有材料生长设备。引进一套设备，当时需要700万元到800万元。然而由于没有研究基础，还不能申请国家的经费支持。

怎么办？郝跃决定不等不靠，自己搭建一套设备。他从手中的项目经费中挤出部分经费，又自己垫资，东拼西凑，终于凑到200万元，由此开始了自主研发并搭建材料研制平台的艰苦历程。

用这200万元购买零部件，团队成员自己动手设计与搭建设备。万事开头难，郝跃鼓励大家说，最痛苦的时候，也是最有希望的时候，等日子好过了，我们就要有危机感了。

2002年，在郝跃的领导和指导下，第一代MOCVD（有机化合物化学气相淀积）设备研制成功。当时毕业留校直接参与了设备研发的青年教师张进成，回忆起那段“带着学生从焊板子开始”的往事，感到更多的是成就感。这套后来被张进成笑称为“作坊”式的设备，满足了材料生长、表征、测试等最基本的研究需要，很快就生长出了具有国际先进水平的GaN（氮化镓）基外延材料。团队成功迈出了具有关键意义的第一步。

与此同时，全世界范围内，宽禁带半导体的时代很快到来了。学术界与产业界逐渐认识到，GaN电子器件是制造高功率微波毫米波器件的理想材料，在新一代无线通信、雷达与导航测控等航天、航空平台设备中，具有重大应用前景。只是GaN材料缺陷密度相对较高，这是长期制约GaN电子器件发展的瓶颈。

郝跃带领他的团队系统研究并揭示了GaN电子材料生长中缺陷形成的物理机理，独创性地提出了脉冲式分时输运方法、三维岛状生长与二维平面生长交替的冠状生长方法，显著抑制了缺陷产生。

正是基于这种创新生长方法的固化集成，团队成功建立第一代自主国产化的MOCVD系统和低缺陷材料生长工艺，并于2005年和2007年迅速更新为第二代和第三代，解决了高性能GaN电子材料生长的国际难题，推动了GaN材料生长技术与核心设备的应用。团队自主研发的MOCVD系统及关键技术已成功产业化，应用于GaN半导体微波器件和光电器件制造企业，已累计实现产值2.1亿元。他们自主制备的高性能GaN电子材料自2003年起批量应用于国内多家研究所与大学，以及日本、新加坡等国家的一些科研机构，被国际用户评价为“特性达到了国际前沿水平”。似乎就在朝夕之间，郝跃教授与他的团队一下拿出一批有显示度的成果，震动了整个微电子领域。

成果转化彰显价值

2002年，GaN高亮度蓝光LED器件在郝跃的实验室成功问世。这种新工艺具备传统发光器件不可比拟的节能等优越性。郝跃预测到该项成果巨大的市场潜力，着力推动技术转让与成果转化。

然而事情一开始并不十分顺利，显然这件新事物的价值还不为市场所认识，没有引起足够的重视。郝跃认为，再好的成果，如果“养在深闺人未识”，没有实现其应有的价值，就不能算最后的成功。不等不靠，郝跃决定主要依靠团队自己的力量，将这项成熟的技术尽快转化。

2005年，团队以少额技术股份转让该项成果，以实验室为技术依托，成立西安中为光电科技有限公司，成功实现了蓝绿、紫外LED的产业化。

此外，他们自主建立的国产化GaN微波毫米波功率器件填补了国内空白，打破了发达国家的技术封锁与禁运，已开始试用于多项雷达和测控国家重点工程，推动了我国宽禁带半导体电子器件的跨越发展和应用。

高质量的GaN（氮化镓）和SiC（碳化硅）材料外延片批量提供企业和研究所使用；微波功率器件已经开始用于国家重点工程；GaN的LED成果已经成为陕西省半导体照明的核心技术；微纳米器件可靠性技术对推动我国高可靠集成电路发展发挥了重要作用……随着多项成果应用于国家和国防重点工程，郝跃带领团队的研究工作得到了国内外的广泛关注，科研水平和学术地位不断提升。

在解决国家重大战略需求方面，团队注意到半导体器件可靠性一直是航天、航空等系统中突出的薄弱环节。美国阿里安火箭100多次发射中有过8次失利，其中7次都是由个别器件故障导致的。随着电子系统复杂度的日益提高，器件可靠性问题越来越突出，对我国更是如此。

郝跃多年来一直关注着这个技术难题。从上世纪末开始，团队在他的领导下系统研究了多种半导体器件的退化与失效机理，提出并建立了相应的模型，系统揭示了半导体器件退化与失效的物理本质。该项成果获得了1998年的国家科技进步奖三等奖。

早在2001年，团队首次提出并建立了高可靠性的自对准槽栅半导体器件结构与制造工艺，使器件可靠性提高近2个数量级，被评价为“槽栅器件是一个很有前途的结构，可改善热载流子效应，从而提高器件可靠性”。这项成果成功用于知名集成电路制造商——中芯国际公司高可靠集成电路大生产。该项成果还获得了2008年的国家科技进步奖二等奖。

“微电子不微”，这是郝跃常挂在嘴边的一句话。微电子技术是一个国家核心竞争力的体现，是国家综合国力的标志。他说，作为科研工作者，要承担起自己的使命。

面向未来，郝跃一方面密切关注着学科前沿此起彼伏的热点，一方面反思着团队持续发展中面临的一些自身的问题：数理基础要进一步巩固和加强，创新性思维有待进一步培育，科学的精神、激情与活力需要进一步激发……他似乎总有一种时不我待的紧迫感。

西安电子科技大学南校区一片美丽的草坪上，一座巨石巍然耸立，上书“四海同芯”四个大字雄浑苍劲，似乎诉说着西电微电子人的执著与奋斗，梦想与追求。

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