谢希德是什么人,他有什么成就

【简介】

谢希德（1921年3月19日－2000年3月4日），女，福建泉州人，中国物理学家，中国科学院院士、第三世界科学院院士，丈夫为著名生物化学家曹天钦。谢希德1946年毕业于厦门大学数理学系，1951年美国麻省理工学院博士毕业，1952年10月回国到复旦大学任教，1983—1988年复旦大学校长。专长表面物理和半导体物理的理论研究，取得多项重要成果，并是这些方面科学研究的主要倡导者和组织者之一。90年代主要从事半导体表面和界面、短周期超晶格的声子谱的研究并取得重要成果。.撰有《半导体物理学》、《固体物理学》等专著4部。谢希德是1949年后中国大陆第一位大学女校长，她把握改革开放新时期的机遇，为复旦大学的发展作出了极大的贡献，和前任校长苏步青开创了复旦辉煌的“苏谢时代”。

生平经历

   1921年3月19日出生于泉州市蚶江镇赤湖乡。那年她的父亲谢玉铭被母校燕京大学请回教物理课程，他一边教书，一边进修高等物理，准备出国深造。1923年，他得到洛克斐勒基金社的奖学金赴美国留学，母亲郭瑜瑾则在厦门大学念书。在谢希德4岁时不幸母亲患病去世，此时，父亲正在美国芝加哥大学攻读物理博士学位，幼小的谢希德在祖母无微不至的照料下成长。1926年谢玉铭学成回国，应聘在燕京大学物理系执教。谢希德7岁时，父亲与燕京大学数学系毕业生张舜英结婚。继母对她十分疼爱，使她的心灵得到极大抚慰。11岁时进入燕大附中，在那里认识同班念书的曹天钦。后来转到贝满女中读书，“敬业乐群”的校训给她深刻的教育。至今也常怀念当年对学生既严格要求又和蔼可亲的师长们。

   1937年卢沟桥事变后，谢玉铭举家南下，应邀在湖南大学任教。谢希德相继在武汉圣希理达女中和长沙福湘女中读完高三。1938年夏天，日本侵略军的炮火日益逼近武汉、长沙，但当时仍举行高考统一招生。谢希德报考湖南大学数学系，不久长沙告急，全家搬到贵阳。谢玉铭只身回到迁往辰溪的湖南大学。好不容易转移到贵阳后，谢希德住进医院切除扁桃腺，加上又腿痛难忍，因此虽然接到录取通知，不得不申请在家休学一年。后来经医生诊断她的腿痛系股关节结核。那时没有治结核病的特效药，生了这种病与被判无期徒刑差不多。当时日本侵略军的飞机狂轰滥炸，需时常躲避空袭，不得安宁。但她是一个意志坚强的青年，在治病和休养期间，大量阅读英文小说，这对她后来的发展很有帮助。1942年夏她又考上迁至贵州省湄潭县的浙江大学物理系，但由于父亲不同意而放弃。后来全家从贵州搬到福建长汀县，父亲应聘为厦门大学数理系教授，并兼任系主任、理学院院长和教务长。在萨本栋校长和谢玉铭、傅鹰等各教授的共同努力下，厦大成为当时东南首屈一指的大学。就在这时，谢希德考入厦大数理系。她勤奋好学，训练严格，基础扎实。尤其是在父辈们的亲切熏陶下养成了优良的学风。1946年秋她大学毕业后，来到上海市沪江大学任助教。连绵不断的战火，辗转不定的生活，艰难困苦的环境，使她成为具有强烈爱国心的青年，立志继承父业，出国深造，为祖国未来奉献力量。

复旦工作

原在上海交通大学的周同庆曾请谢希德去交大任教，由于院系调整，她同周同庆一起来到复旦大学物理系。在这里，她承担了极其繁重的教学任务，从1952年到1956年，先后主讲6门基础课和专业课，且都编写了教材和讲义。她善于组织课程内容，讲课切合学生实际，由浅入深，信息量大，条理清晰，语言流畅，使学生们深得教益。现在中国许多中年科技骨干，如方守贤、丁大钊、王启明等都是她当年的门生。在她努力下，复旦大学于1955 年开设了固体物理专门化，致力于半导体物理的发展。1960～1962年间，她同方俊鑫合作，编写了《固体物理学》（上、下册）一书，由上海科学技术出版社出版，深受国内各大学师生欢迎。80 年代，这部书重新修订，谢希德增写了《非晶态物质》一章，保持原书特色，既系统讲述本学科的基础内容，又介绍各主要分支的发展概况。1988年被国家教委评为优秀教材。

　  　1956年秋，为了实现国家12年科学发展规划，北大、复旦、南京大学、厦大、吉大等5所大学的物理系的部分师生汇集于北大，共同创办半导体物理专门化。黄昆任教研组主任，谢希德任副主任。他们通力合作，撰写了一部专著《半导体物理学》，1958年由科学出版社出版。这在当时国际上是一部学术水平很高的权威性著作，为中国培养一大批半导体科技骨干人才及时作出了贡献。令人钦敬的是她为了科学事业，放下出生才5个月的小孩，交给爱人曹天钦照料，毅然去北大工作。

　  　在科研方面，她也是白手起家，于1958年创办上海技术物理研究所，并任副所长（1958～1966）。在她精心指导和组织下，坚持应用技术和基础研究并重，为上海半导体工业发展和基础研究创建了必要的条件，培养了一支队伍。当时实验技术人员非常缺乏，为此她建立了上海技术物理中专，培养实验员，后来这批人都补齐了大学课程，成为得力的科技人才。当年提前毕业参加建所的大学生中有很有成就的沈学础。

　  　60年代初，国际上硅平面工艺兴起，她和黄昆敏锐地看到这将促进半导体技术和物理的迅猛发展，联名建议开展固体能谱研究，并由北京大学、复旦大学、南京大学共同承担。1962年11月，她晋升为教授。在她指导下，复旦建立了顺磁共振等当时先进的实验技术。她招收研究生，开设“半导体理论”和“群论”课，编写讲义，指导研究生从事空间群矩阵元选择定则、应变条件下半导体载流子回旋共振理论、间接隧道效应理论、半导体能带计算等项科研课题。1966年夏，在北京召开的暑期物理讨论会上，她作了能带计算成果的报告，与各国学者进行交流。1986年在原有讲义基础上又进行改写，出版了专著《群论及其在物理学中的应用》，此书现已成为国内许多大学研究生的教材，使学生较容易掌握群论这样抽象的数学工具，受到师生们的好评。

突出贡献

 谢希德1976年10月粉碎“四人帮”后，祖国又有了希望。1977年8月，当时分管科学教育的邓小平，在科学教育工作座谈会上指出：建国后17年，教育战线、科研战线的主导方面是红线，中国知识分子绝大多数是自觉地为社会主义服务。我们要尊重脑力劳动，尊重人才。1978年3月在全国科学大会上，邓小平强调了“科学技术是生产力”和知识分子已经是工人阶级的一部分的观点，给知识分子莫大的鼓舞。正如郭沫若所说的迎来了科学的春天。

  在1977年底的全国自然科学规划会上，谢希德报告了她的科学调研，以殷实的材料说明在固体物理、材料科学和量子化学之间正在形成新的边缘科学即表面科学，其基础是表面物理，基本内容包含三个部分：一是确定表面的原子成分；二是表面原子结构和成键性质；三是表面电子态和各种特殊的物理性质。她还阐明了表面物理同高新技术和科学发展以及与国民经济之间的重要关系，提出在中国发展表面物理的倡议。这个报告得到与会科学家的赞赏。她的倡议得到国家科委和高教部的支持，返校后，她立即着手筹建以表面物理为研究重点的复旦大学现代物理研究所。在短时间内，在原有物理系和核科学系的基础上建立了8个研究室。

1978年9月，谢希德又拟订计划，组织两个系列的学术报告讨论会，一是表面物理，系统讲述表面物理的基础内容和发展前景；二是固体能带理论。她安排好报告人并开列参考文献供报告人准备之用。7个多月，她带病亲自组织报告30多次。在此基础上还举办了全国性的表面物理讨论班。

中国科学院和教育部委托复旦大学物理系和现代物理研究所举办的固体理论讨论班，1979年3月在复旦举行，由副校长兼现代物理研究所所长谢希德主持并亲自作几个学术报告，来自全国20多个省、市、自治区84所高校和科研单位的170多位代表参加了讨论班，主题是“群论”和“固体能带理论”，时间长达一个月之久，收到很好的效果。

1982年，美国物理学家、1998年诺贝尔化学奖获得者，W.科恩（Kohn）来华讲学，回国后评论说：“谢希德教授作了明智的选择，在复旦大学开展表面物理研究”。多年的努力和在国家科委和国家自然科学基金会的支持下，现代物理研究所的表面物理实验室于1990年经国家计委组织专家评审，被确定为国家应用表面物理开放实验室。在谢希德指导和王迅的努力下，该实验室在化合物半导体GaAs和InP的极性表面结构和电子态，表面界面结构，Si/Ge超晶格的生长机制和红外探测器件、多孔硅发蓝色光、蓝色激光材料研制，锗量子点的生长和研究，磁性物质超晶格等方面取得出色成果。

由于她与同事们坚持不懈的努力，1985年、1987年、1990年和1997年，谢希德和张开明、叶令及蒋平等共取得4项科研成果。这就是“半导体表面电子态理论与实验之一”、“镍硅化合物和硅界面理论研究”、“金属在半导体表面吸附及金属与半导体界面电子特性研究”和“量子器件与异质结构电子性质的理论研究”，分别获得国家教委科技进步二等奖。在指导研究生方面，据不完全统计，自1978年以来，已培养了博士15名，硕士10多名。发表学术论文近百篇。她是1997年何梁何利科技进步奖的获得者之一。

80年代初，美国著名科学家，两次诺贝尔物理学奖获得者J.巴丁（Bardeen）率团访华。他回国后称赞说：“在中国科学界中，谢希德教授是属于最有影响的人士之一。”

由于谢希德的科研成就和国际学术交流方面的卓越贡献，使她得到国内外学术界的赞誉，享有崇高的声望。她被选为中国物理学会副理事长（1978～1991），中国科学院数理学部委员（院士）、两度当选中国科学院学部主席团成员（1981年和1992年）。美、英、日、加、香港地区的13所大学分别授予她名誉科学博士、名誉工学博士和人文科学博士1987年6月接受美国纽约州立大学Alabany分校授予名誉博士时，《今日美国》报社记者采访她，称她为“中国的哈佛大学校长”。1986年她被选为美国物理学会的名誉会员（Fellow）。1988年她又当选为第三世界科学院院士。1990年被选为美国文理科学院外国院士。《表面科学》等6种国际学术杂志请她担任顾问和编委。她也是国际纯粹和应用物理联合会（IUPAP）半导体委员会委员（1987～1993），先后担任国际半导体物理会议的顾问和程序委员会委员，1990年当选为在北京召开的第二十一届国际半导体物理会议主席。会议于1992年8月召开，中外专家500余人出席这届大会，报送的论文达900多篇。这是第一次在亚洲发展中国家召开的国际半导体物理会议。这次会议为中国半导体物理学界提供了一个直接接触国际科技前沿领域的良机，对中国半导体学科的发展以及青年人才的培养，起到很好的推动作用。

谢希德在与国际科技界友好往来和学术交流中，显示了特有的智慧和才干，为振兴中华、建设祖国作出了重大贡献。自1983 年起她每年都参加美国物理学会的三月会议，回来后必向物理系师生作介绍，并撰文讲述当年物理学前沿的重要发展。她多次应邀出国参加各种会议，作有关半导体物理、表面物理学术报告外，还作有关中国科学、教育、妇女、人口和环境等方面的报告，足迹遍及美、英、法、德、意、日、俄、波兰、匈牙利、希腊、泰国、委内瑞拉等国。

谢希德是中国半导体物理学和表面物理学研究的开拓者之一，成就卓著，深受学术界、教育界的尊敬。1991年3月19日欣逢她七十大寿，又值她在复旦大学执教40年。国家科委主任宋健和中国科学院院长周光召联名发来贺电。国际著名的3位诺贝尔物理学奖获得者杨振宁、李政道和A.萨拉姆（Aalam）分别发来贺电。国家教委也致电祝贺。中国物理学会理事长冯端寄来热情洋溢的贺信。国内外知名学者撰写了26篇学术论文，汇编成《表面物理学及有关课题》文集，以热烈和由衷的庆贺，由新加坡世界科学出版社出版。

人物评价

   谢希德谢希德不但是一位国内外知名的物理学家，也是一位杰出的教育家和社会活动家。在高教事业方面，谢希德的贡献是突出的。她先后担任复旦大学副校长（1978～1983）和校长（1983～1988）长达10年之久，建树累累。她率先在国内打破综合大学只有文科、理科的前苏联模式，根据复旦大学的条件增设了技术科学、生命科学、管理科学等5个学院。她大力提倡师生的创造性和科研工作，加强国内外的学术交流。教学质量和科研水平与日俱增，复旦的声誉在增长。她深知抓好教师队伍建设的重大意义，采用破格提升的方法，鼓励学科带头人脱颖而出。她注意发挥教师在教书育人中的指导作用，1956年秋在复旦推行导师制。导师们深入学生中间，指导学生学习，针对各种问题晓之以理、动之以情，效果很好。设立“校长信箱”、“校长论坛”、“新闻发布会”沟通校内各方面情况，使存在的问题得以及时解决，师生和职工们感到比较满意。她在师生中大力提倡好的学风，严谨治学，严格要求。

   谢希德也是一位出色的社会活动家。1982年9月当选为中国共产党第十二届中央委员会委员，1987年10月当选为中国共产党第十三届中央委员会委员，1988年5月当选为中国人民政治协商会议上海市第七届委员会主席。在中共十三大开会期间，谢希德与浙大校长路甬祥、厦大副校长王路林一同出席中外记者会，她老练地回答了记者们的各种提问。作为上海市政协主席，她的视野宽阔，极为关注浦东新区的开发，对浦东的高等教育提出新的见识，后来又担任了校址设在浦东的杉达大学的校长。她不仅关注全市的教育、科技方面的工作，也关注文化、社会风气、农业等等。人们可以从电视新闻中看到她带领政协委员下工厂、农村了解情况和慰问的动人场面。她关心科普教育，主编一本《阿爸教科学》的新书，给青少年增添了许多新知识。

   在复旦校园里，她曾接待过来访的法国总统德斯坦，美国总统里根以及国务卿舒尔茨等外国领导人。她代表复旦授予一批世界上著名的学者、教授为复旦大学名誉教授、顾问教授的称号。1998 年美国总统克林顿和夫人来华访问时，谢希德作为知名人士参加了克林顿总统在上海的座谈会。

   1998年11月4日美国半导体产业协会（Semicondueter Indartry associaleer）出资在复旦大学美国研究中心设立谢希德奖金以鼓励有关领域的科学研究。谢希德在团结各界人士、特别是教育界和科技界、国际友人、海外学子和侨胞中，为振兴中华、建设祖国做出了重大贡献。

【大事年表】

1921年3月19日 生于福建省泉州市。

1942～1946年 在厦门大学数理系学习，获理学士学位。

1946～1947年 任上海沪江大学数理系助教。

1947～1949年 美国史密斯学院物理系研究生兼助教，1949年获理学硕士学位。

1949～1952年 在麻省理工学院物理系攻读博士学位，1951年获哲学博士学位。毕业后留校研究一年。

1952～ 在复旦大学先后任物理讲师（1952～1956）、副教授（1956～1962）、教授（1962～）。固体物理教研室主任（1954～1961）。

1956～1958年 在北京任北大、复旦、南大、吉大、厦大五校联合半导体物理教研室副主任。

1958～1966年 筹建上海技术物理所，任副所长。

1978年～ 任复旦大学现代物理研究所所长。

1978～1988年 任复旦大学副校长（1978～1983）、校长（1983～1988）、复旦大学美国研究中心主任（1985～）。

1978～1991年 任中国物理学会副理事长。

1980年 当选为中国科学院数理学部委员（院士）。

1989年 当选为第三世界科学院院士。

1990年 当选为美国文理科学院外国院士。

1997年 任上海浦东杉达大学校长。

2000年3月4日 逝世于上海

2012年有的考区的高考实用类文本阅读就是——《谢希德的诚与真》，您可以自行查阅一下这篇文章

随着绿色低碳战略的不断推进,提升能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,如何利用现代化新技术建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。

值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元

全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。

本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。

20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。

然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。

在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。

笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。

安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。

英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。

第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。

和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。

随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:

与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 : 

1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗

2.耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化

3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。

氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。

半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。

第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。

前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。

从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。

这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。

此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。

对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。

但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。

在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。

比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。

如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。

吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。

观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。

但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。

业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。

“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。

以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”

作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。

虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。

从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。

泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”

吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。

那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。

第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。

其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。

得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:

光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等

电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等

微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。

现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。

早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域在去年全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。

具体来看当前主要应用领域的发展情况:

1.新能源汽车

新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。

2.光伏

光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。

3.轨道交通

未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。

4.智能电网

目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。

第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。

时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?

从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。

安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。

具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。

另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。

泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。

OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。

虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。

就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。

此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。

OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。

上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。

当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。

在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议  「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」  。

本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。

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