第三代半导体：一位北大教授的产业化之路

　　手机电脑快充器件、新能源车载电源、5G基站、微发光二极管显示器、深紫外发光二极管这些设备不能离开氮化镓外延材料，这也让该材料成为长期资金市场关注的“宠儿”。

　　相关市场调查与研究机构的预测显示，到2026年，全球氮化镓电子与光电子材料和器件市场规模将突破423亿美元，年均复合增长率约为13.5%。这在某种程度上预示着氮化镓有望成为第三代半导体市场的“香饽饽”。

　　北京大学物理学院教授沈波团队在学校的支持下，推动北京大学宽禁带半导体研究中心的科研成果落户北京市顺义区第三代半导体产业园，并以技术入股形式成立北京中博芯半导体科技有限公司（以下简称中博芯）。而此公司在成立伊始就受到长期资金市场的关注。

　　日前，沈波在接受《中国科学报》采访时表示：“2024年，公司的主要任务是早日实现氮化镓外延片销售额的大幅度的提高。”

　　进入21世纪以来，以氮化镓、碳化硅、氧化镓、金刚石为代表的第三代半导体材料开始崭露头角。禁带宽度大、击穿电场强、导通电阻低、电子迁移率高、转换效率高、热导率高、损耗低这些优势使得氮化镓备受关注。

　　1995年在日本取得博士学位后，沈波开始从事氮化镓外延材料的研究，取得了突出的学术成就。沈波告诉《中国科学报》：“我们研究的落脚点是解决氮化镓半导体投入实际应用所面临的各种关键科学技术问题，这是半导体物理学科的特点。”

　　氮化物半导体是一种宽禁带半导体，主要制备方法是外延生长在蓝宝石、硅等异质衬底材料上，而外延材料高缺陷密度是氮化物半导体技术发展的关键瓶颈。因此，沈波团队的研究主要围绕大失配异质外延展开，包括衬底的图形化技术等。

　　凭借氮化物半导体大失配异质外延技术，沈波团队获得2018年度国家技术发明奖二等奖。获奖理由是，发明了有效提高外延质量的图形化蓝宝石衬底新技术和外延生长新方法，制备出部分质量指标国际领先的氮化物半导体外延材料，较好地解决了衬底和氮化镓失配的问题，并实现了产业化应用。

　　“实验室中的技术要变成企业的产品，需要经过一个复杂的中试过程。此前，我们从始至终跟企业合作，2020年，我们在北京大学科技成果转化管理部门的帮助下成立了中博芯。”沈波介绍说，“从最初的5人到如今的40多人，中博芯持续不断的发展壮大，技术产品获得了慢慢的变多的认可。”

　　这些年来，沈波团队在破解技术难题的同时，一直与产业界保持密切合作。在沈波看来，将技术成果转让给企业是成果转化，亲自参与创业也是成果转化，且后者比写一篇论文更复杂。

　　企业内部管理、商品市场销售、跟政府打交道对沈波来说，这些并非易事，“也得从头开始学”。“在实验室里，有时为达到指标，做实验不计成本，但经营企业要关注质量、订单、客户。为更好地适应市场形势变化，公司制作需要的是标准化、可重复的工艺技术。”他说。

　　“虽然在实验室里我们已将技术产品打磨得很好，但批量生产更看重稳定的产品输出，而不完全是实验室里那些在高要求下实现的亮眼指标。”沈波告诉《中国科学报》，“创业的第一步是使技术落地变成产品，第二步是打开市场完成销售，第三步是扩大规模实现盈利。现在，中博芯处于第二个阶段。”

　　在创业的同时，沈波并没有耽误科研工作。“现在，公司有专业的运营管理团队。我除了在公司工作外，依然在北京大学教书育人并从事科学研究。”

　　2023年6月，沈波团队在氮化物宽禁带半导体大失配异质外延研究方面取得重要进展，创新发展了一种“可控离散和可控聚合”的外延方法。相关研究成果发表于《自然-材料》， 并被评为2023年度“中国半导体十大研究进展”之一。

　　“由于前期打下的基础，这些新成果很顺利、迅速地进入了产品研究开发和应用推广阶段。”沈波说。

　　由北京大学与北京科创基金合作组建的北京大学科技成果转化基金元培基金就是耐心陪伴中博芯成长的一只基金。该基金规模为10.02亿元，聚焦北京大学重大原始创新项目，支持原始创新从实验室走向市场。2019年，在沈波申请校内科技成果转化的过程中，元培基金主动找上门。

　　“我们在对第三代半导体材料领域进行调研时，就已经了解到沈波带领的北京大学宽禁带半导体研究中心团队是国内氮化镓材料研发技术实力最强的团队之一。”元培基金董事总经理潘峰告诉《中国科学报》，“沈波团队在技术水平、投资规模及产品领先性等方面均占优势，这也是我们投资的主要考量。”

　　资本市场为何关注氮化镓外延材料？对此，潘峰表示，目前国内的氮化镓外延材料发展处于产业化应用初期，已经在5G基站、手机快充领域实现应用，未来在数据中心电源、汽车电源、新型显示领域将有广阔的应用前景。

　　“在氮化镓外延材料领域，国内团队的技术已处于全球领先水平，但市场需求却没有正真获得充分满足，整体供应偏紧张。根本原因在于外延材料生长的技术难度较高，给设备、工艺、材料等方面都带来了全新挑战。”潘峰指出，如今主流的氮化镓外延材料所用的衬底包括硅衬底和碳化硅衬底两类，硅衬底价格实惠公道，但产品性能不足；碳化硅衬底高温高频等性能优异，但衬底生长慢、尺寸小、良率低，导致成本过高，下游市场接受度低。

　　潘峰认为，未来氮化镓外延材料企业要具备以下三方面能力：一是有完整的工艺能力，面对下游不一样的行业的需求，能使用硅、碳化硅、氮化镓、蓝宝石等不同衬底生长优质外延材料；二是有能力使用低成本、大尺寸硅衬底生长高质量氮化镓外延材料；三是有能力在一些设备领域研发出替代国外设备的产品。