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中国电子科技集团公司第四十六研究所首席科学家 赖占平 :电子功能材料的发展与展望

[所属分类:行业新闻] [发布时间:2018-8-27] [发布人:管理员] [阅读次数:] [返回]

尊敬的干院长、各位领导、各位专家大家上午好,非常高兴有机会在这样一个场合和企业家朋友们共同交流下电子功能材料的情况。

大概两个月之前何秘书长给我留了作业,到这个论坛上讲一下。当时两个困惑,第一个我是搞军用材料,军用材料的发展在这样一个主要以企业为主的场景下讲合不合适?何秘书长跟我解释说军用材料往往是新材料,所以在这个场合下讲是合适的,我想他说的大概也是对的。

第二个困惑就是对于企业来讲,到底什么是新材料,还是有些困惑。如果只讲传统的硅,砷化镓这些材料大家可能觉得老生常谈,新意不够。但是如果只讲我们学术研究上的前沿新型材料,可能又不是太接地气,因为产业化差距比较大。

我今天的报告主要是发展和展望,发展更主要要的是针对比较传统的材料、成熟的材料,展望更针对一些前沿的新型材料。电子功能材料是电子新型材料的核心部分,它的技术体系经过这么多年梳理,现在已经基本上成型。首先最核心的部分是元器件材料,然后是组建部件用的材料,就是我们所说的装联材料,以及包括一部分为了维持系统稳定发展、稳定运作的信息安全材料。元器件材料里面我们按照应用领域不同划分为三个大的领域,首先微电子材料,然后是光电子材料,这两种材料之外为特种元器件材料。装联材料包括功能基板材料、电子浆料和封装材料。

这里面特种元器件材料是很大的一个纬度,可以细分为磁性材料,这里面很多了,电子功能陶瓷,电真空材料、电能源材料、特种功能晶体,有时候也包括传感器材料。磁性材料无疑是里面非常重要的一部分,本来是想只讲一个功能材料,那么作为整体电子功能材料只讲功能不是很完整,所以其他几个简单说一下。在座有很多磁性材料的专家,不大敢班门弄斧。

从大的方面来说,个人认为磁性材料这些年总的发展比较平稳,但是产业角度来说影响比较大的,全新的材料体系出现的比较少或者基本没有出现。从我们军工方面进展比较好的是微波简谱材料方面,那么16、17寸的单晶近些年实现了稳定的批量生产,这个应该来说还是影响比较大的。

另外在软磁材料方面,镍型体系的软磁材料实现了军工,这个对于减少电子体积重量应该说非常有意义。刚才干院长也提到500度以上的高度软磁材料已经达到了共性应用,其实我们550度基本上比较成熟,也没有什么问题,实验室里面600度的也出来了。其他的一些磁性材料,比如说铁质的磁性材料进展比较好。

下一步发展磁性材料这一块,个人感觉第一个还是薄膜化,我们在十三五规划里面,三类磁性材料,旋磁、软磁、永磁、薄膜化的项目都有安排。

第二个还是低温共烧,十二五我们软磁的低温共烧基本突破了,那么争取在十三五旋磁这低温共烧能够做到实用化的程度。

下一个就是说随着我们国家海洋利用的拓展和维护,用于磁性发射的弱磁探测材料,这里面成为一个研究的热点。在电子功能陶瓷这一块最重要还是介质陶瓷,最重要是MLC,也就是陶瓷电容器的陶瓷。从军用瓷的需要来说更多是高温瓷,这一块二类瓷应该说没有太大问题,S72、S82、S92都已经可以稳定生产。

一类磁里面温度稳定性也没有什么问题,这一块关键技术壁垒也基本突破,三类瓷这几年也取得比较大的进展。

特种功能晶体这一块我们关注的主要是压电晶体和闪烁晶体。闪烁晶体这一块有个报告我们不说了。压电晶体这一块,随着生长期在通信领域大面积应用,铌酸锂,胆酸锂已经实现大面积生产,没有问题。那么(86:14)也已经基本技术比较成熟。那么用于大功率换能器(86:29)我们国家在国际有一定地位,技术基本成熟,4英寸的实现稳定生产。压电晶体这一块重点发展F2产品。那么功能材料里面功能基板这一块我们这边重点关注的是两个领域,一个是微(87:03)这里面我们国内用的一些,用的最大的型号5000系列,5880,6000系列,6002、6006、6010,已经突破技术,现在正在进行功能化应用。

关注的另外一个大的领域就是RTCC和和RGCC,尤其是RTCC。那么这一块国内用的比较多的是(87:35),国内都已经可以基本解决。

封装这一块更主要是为了满足日益增长的大功率散热的要求,那么我们主要发展是高导热的封装材料。那么高硅铝现在已经能够实现批量应用。铝碳化硅突破关键技术,铝金刚石,包括现在也正在研发碳化硅金刚石的材料,也取得比较大的进展。这一块内容没有做PPT,简单说一下,也不是我今天汇报的重点。

今天汇报的重点还是在整个电子功能材料里面最核心的两个部分,对于元器件和电子信息造成影响最大的两个,微电子材料和光电子材料。

首先微电子材料,我把它分为两个大的领域,第一个是集成电路材料。从系统来说集成电路用的材料更主要满足信息高速处理和大容量存储的要求。现状都很清楚,这几天几个报告都涉及到了,现在市场主流是12寸,那么18寸实际上很多年前就已经研发出来了。那么另外一个发展趋势就是线宽比较低,12寸线宽从9nm现在已经降到10nm了,预计年底可能7nm就很成熟,现在正在开发5nm。按照台积电董事长的说法,以他的能力他可以看到3nm,3nm以下是什么情况就不大清楚了。我们想无论是5nm,3nm还是3nm以下,有2nm、1nm,那么摩尔定律的展已经逼近极限,这是毋庸置疑的。怎么办?

实际上业界很多前就提出解决方案,那么提出三个大的发展方向,无论是延续摩尔定律、还是超过摩尔定律,提出的方案有几十条。这几十条里面仔细看一下绝大多数是新的结构,新的体系架构,以及一些新的制造工艺,那么也有很多技术路线是以材料为基础的,比如石墨烯纳米带器械等等这些东西,那么这些技术路线到底是什么样的状况?我们可以简单看一下。首先石墨烯在许多领域中都有非常重要的应用,那么石墨稀之所以有这么重要的应用是因为石墨烯刚一发现就有人说可以替代硅。发展到现在为止看,好像这一条路大概是走不通。最基本的原因石墨烯实际上不是半导体,它基本上是没有能带的,它的禁带宽度接近于0,当然有很多办法可以把弄成禁带。比如说化学工业图里面就不是用的普通石墨烯,是用的石墨烯纳米带,但是实际研究发现,石墨烯做成纳米带以后,尽管会有禁带宽度,但是禁带宽度达到0.15电子伏特的时候它的迁移率就已经降到200多吨,还不如硅呢。

你也可以不用纳米带,用其他方式,你比如说加高电压,但是禁带到0.25电子伏特的时候电压就会加到100伏以上,那么这个对于芯片问题是不现实的。而且无论是0.15电子伏特还是0.25电子伏特,做集成电路以后禁带宽度都不够,所以我们想石墨稀做集成电路,至少作为主体材料可能是不太现实的。

第二个就是所谓自旋器件,这个刚才干院长也提到了,自旋器件已经提出很多年了,基本原理就是电子器件到目前为止只是操控了电子的核内属性,没有操控电子的自旋属性。如果操控核内属性,同时也能操控自旋属性,那么这个器械性能会是翻天覆地的变化。这有很多技术路线,其中研究比较早的一个技术研究就是磁性半导体,这种材料既有半导体属性,也有磁性属性。这种材料发展了几十年,到现在为止用量可能达不到10,一个最大的问题?就是它的居里温度很难做到10度。最近我们国家一个团队取得很大进展,一下子跨越了几十度,居里温度已经可以到240k,这个看起来到10度也就差30k,那么是不是意味着这个技术已经接近实用了呢?我们说可能还不是。第一,30度的温度变化很难一下子跨越。第二,它现在做的多晶方式,从里面挑出一个大晶粒来做测试。我也跟他们说,就是单晶,大核单晶做的很不理想。第三,以这种材料为基础的做的原理性器件还没有出来,所以我还有非常长的路线需要走。如果在自旋器件这一块其他的技术路线的也不这么顺利的话,自旋电子器件有可能二十年做到实用化的都不是太容易。

相对我觉得可能比较靠谱的就是沟道的高迁移率材料。硅的空穴迁移率是比较低的。如果多道衬底仍然由硅转成其他高迁移率的材料那么迁移性能也会有非常大的跨越。国外研究比较多的是两种,一种是锗硅沟道,锗的实际迁移率比硅并不高多少,但它的纵移迁移率很高。所以在CMOS中会继续发展下去。另外一个是画布通沟道,这方面应用比较多的InGaAs沟道。InGaAs的变迁率比硅高一个数量级以上,所以这个性能是非常吸引人的。实质上我们知道国外包括IBM、包括英特尔,研究非硅沟道按至少有二十年以上的实际,所以这一块事情我们国家和企业前期做的工作非常少,这是非常值得关注的一个领域。

另外一个领域就是三维集成。芯片间这种三维集成或者三维叠加可以把你数字的、逻辑的,包括光电的都集成到一块儿。那么这里面有两个主要技术,一个是TSV,如果你三维集成技术要往微波行业发展,就要求高波,要求大约8000微米,当然越高越好。而我们国家起步非常高,起步就是8寸,甚至有的是12寸,所以要求8到12寸的,这种材料显然我们国家是做不出来的,在国际上也是非常领先的一种材料。还有一个就是TGV。

刚才说的是集成电路材料,另外一大类就是分离器件材料。分离器件品种特别多,我个人把分离器件最核心的功能归纳叫做信息的大功率发射、探测,这个很不准确,这只是其中一个功能,但对军用来说这是最核心的功能。这里面用到的从第一代到第三代各种各样的半导体,低频的T波段、L波段、S波段主要是用硅、锗硅,三代半导体成熟以后,氮化镓器件成熟以后,从S波段到毫米波大功率都可以覆盖。

下一步第一个是向更大直径、高纯方向发展。

另外一个发展方向就是新材料异军突起,我个人是把下一代这些材料,就是超宽带AlN、金刚石这些材料叫做四代。四代半导体中AlN单晶禁带宽度大,达到6.2ev,它的热导率也很高,达到3.4w/cm.k,高临界击穿场强,在制作微波超大功率器件,超高功率开关器件,以及日盲型自外探测器,有非常大的优势。国外研究很热,大概有30多家研究机构,我们国家近些年在这方面投入比较大,有五六家在研究。最近五年计划,我们国家四代半导体投入很大,我个人觉得我们有可能在未来几年之间在半导体材料这一块在国际上做的比较领先的地位。

第二个是金刚石材料,具有目前自然界各种材料里面最高的热导率,这个我们都知道。那么它的临界击穿场强也非常高,禁带宽度也很大,为5.4ev。那么它除了和氮化铝一样,用于制造微波超大功率器件和日盲探测以外,那么作为光学窗口也是非常好的材料。金刚石最大的问题是长不大,长大了以后钻石就不值钱了,这是最大的问题。单晶金刚石现在最大的尺寸在国外也就是15毫米左右,那么为了解决长大问题,我也想了很多个方法。其中一个就是拼接,就是跟卫生间装修贴马赛克一样,把小的金刚石拼起来。国外质量最高,可以做电子器械的是美国的公司做的最好,但是它只有几个毫米这么大。拼接的是日本做的最好,能有2英寸。德国也有做异质外延的,这种材料基本上不能做器件,缺陷非常多。国内这些年我们在各种科研计划里面也安排了金刚石的项目,国内大概有差不多十家单位在做这方面研究,但是和国外差距非常大。电子级金刚石没有任何人报道国内可以做电子器件,那么即使不做电子器件的金刚石一般现在不到10个毫米,这一块我们需要做非常大的努力。

那么下一个是氮化镓,氮化镓是这几年刚发现的,也就是六七年的时间。它的原理上没有氮化铝、金刚石好,但是做高功率器件性能指标应该远远的超过氮化硅,所以这几年发展比较热。氮化镓一个最大的好处,就是可以Cz法生长,生长发展非常快。几年时间日本都已经做出了6寸。国内我们也有一些在开展研究,现在基本上可以做出2英寸,那么我们在预研里面的项目安排的是4英寸,这是微电子材料的简单一些情况。

第二大方向就是光电子材料,光电子材料内容非常庞杂,比微电子材料体现要复杂的多。我简单归纳一下,大概是七个大的方面。我们今天只讲前两个方面,一个光电探测,一个激光。那么无论是光电探测还是激光,光电子材料一个最显著的特征,就是不同的波长不论是探测还是激光材料完全不一样。

我们首先看这个红外波段大概有三个窗口,近红外、中红外、远红外。在探测这一块,短波和中波基本上是常规的InSb、HgCdTe,那么其他的材料也用了一些。长波现在主要用HgCdTe,长波现在是8—12微米,但是现在只能做到10微米不到,8—9微米。那么现状InSb单晶5寸已经没有问题了。HgCdTe材料直接做不了单晶,它是在CdZnTe晶体上做。CdZnTe已经可以做到120毫米,从这里面可以切出 70毫米的方块单晶来做器件。

下一步展望发展方向这一块比较多,第一个就是大直径,这些年一直这么做的。CdZnTe基本上是15毫米这么发展,那么下一步可能120做到135到150,接下来是80×80这么大的方块。另外一个发展方向就是薄膜化,国外这一块薄膜已经做了很多年,技术也基本上成熟,我们国内基本上没有开展。还有一个就是重点发展超长波这一块,发展12—30,或者10—30。这一块有两个技术方向,一个就是GaAs量子阱,这个国内也是做了很多年。另外一个二类超晶格,这是国内外最终发展的一个方向。所谓二类超晶格跟一类超晶格的差别,就是二类超晶格其中首先有量子阱材料的问题。首先一种材料比另外一种材料的导带比还要低,那么这种材料有助于电子空穴的空间分离。这种材料做超长波器件,那么最后能做到多长波长,更主要跟材料厚度有关,所以材料发展起来非常有意义。这种材料现在在国内、国外都是研发热点,我们国内经过十几年发展,现在基本上一些小的面可以做出来。

另外一个发展就是说非制冷,这些年我们一直提的,国外大概二十几年红外探测就可以做非制冷,国内在金属材料这一块,无论是热释电材料还是热敏电材料都做了很多研究,现在有的公司已经有产品出来了,这是红外探测。

红外激光这一块,首先是近红外的,我们晶体在国际是领先的。今年的计划是7英寸,这个在国际上最大。那么另外一个就是光纤激光器,这是我们所在做的这种激光光纤。那么下一步展望第一个就是激光陶瓷,在国内国外这几年是重点发展的方向。激光陶瓷和激光晶体相比它的参照物很高,容易做成大尺寸,成本也很低。这个方向应该说在35年前在国内国外非常热,这两年好像是遇到了一点门槛,基本上遇到一点障碍,这两年发展大的行业没有出来,但是这个技术门槛跨过去,我估计未来几年有大的发展。另外单晶光纤,我们前面提到一个光纤是石英的,石英材料有一些先天不足,我们把单晶做成光纤就有非常大的优点,或者缺陷更低,更高的激光输出,这一块未来几年可能都要做一些支持。

还有一个方向就是所谓长波红外,现在已经实现了输出。这是红外这个波段,可见光这个波段相对来说比较简单一点,主要用的是可见光CCD,现在4寸基本上没有问题,6寸技术基本上接近成熟。这些年国内国外发展比较重要的领域,就是聚合物光探测这一块。光探测这一块现在发表的文章非常多,但是不光是可见光,整个红外、紫外都有,这一块下一步可能是发展方向,因为它有很多优点,这一块距离使用还有一点差距。可见光的激光的话基本上比较成熟,蓝绿光国外基本上成熟,国内有一点差距,但是也接近成熟,问题是绿光这一块,一些固有材料不好解决,现在主要是晶体来做。紫外这一块,紫外探测,近紫外我们用的硫化锢的材料,现在已经得到应用,没有问题。日盲紫外,我前面提到的。

第三块我想简单介绍一下我们电子功能材料热点领域。第一个就是太赫兹,我们电子信息技术搞了几十年或者更长时间,实际上利用的电磁波有两个波段,一是微波波段,我们已经发展了,另外一个就是红外波段,远红外我们现在正在研发12微米到30微米这个波段的探测和激光材料,中间这个0.1T到10T这个范围,没有充分利用,它要有许多非常优异的特点,就不说了。

那么太赫兹也是两个路线,一个接着往上做,这里面有很多器件,这个频率可以是0.6T,第二个热点就是所谓超材料,在这种情况下,提出来这种设想以后,后来通过一定的条件,已经把这些实现了,当然现在实现的手段多种多样。超材料这些年的工作大概几个方面,第一个就是理论完善,第二个就是新单元结构的研制。第三个就是波段扩展,基本上整个电磁波组都可以用超材料覆盖,然后又从这个设计里面扩展了。超材料最开始是二维材料,现在就是三维材料出现,现在看起来不是特别理想。大概十年前,当时预计未来几年超材料进展不是特别理想。

最后一个热点就是量子材料。量子要做计算,量子要做传输存储,这都是我们电子要干的事。这些年有说存储是骗子,胡说八道,还是取得飞速的发展,我原来至少在哪怕四五年前我也认为量子的事不靠谱儿,但是自从看到IBM、谷歌。这个表里面是量子计算的一些物理实验方法,量子通讯也差不多。现在用的方法比较多一个是光学方法,一个是超导方式,研究比较多,这些东西跟我们电子信息、跟我们电子材料都很相关。金刚石我们听起来很熟悉,它是重要材料,我们原来没有想往这儿用,是准备作为探测用的。现在也可以用到量子技术里面,所以无论从量子技术要干的事和它的基础来说和我们的电子信息还是密切相关的。

今天利用这一点时间,零零散散把电子功能材料做了一些汇报,实事求是说,范畴非常广,里面很多方向不是我的专业,反而在座的各位同事是专家,所以说到不对的地方希望大家批评指正。最后以这样一段化作为一个结尾,电子功能材料是国民经济信息化和国防现代化的物质基础,作用十分重要。我国电子功能材料发展近年来取得了较大成绩,但是和国家经济安全、国防安全的需求相比有非常大的差距,我们电子功能材料依赖进口比例大的非常多,那么要解决这样一个问题,有各种各样办法。其中新材料研究成果尽快走出实验室,实现稳定生产,这是一个有效途径。基于这一点,也希望我们电子功能材料科技界、产业界能够加强沟通、加强合作,为我们做出更大贡献。



 
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