氮化镓衬底晶片实现“中国造”

苏州纳维生产的4 英寸GaN 单晶衬底

■本报见习记者 高雅丽

一枚看似不起眼、“又轻又薄”的晶片，却能做出高功率密度、高效率、宽频谱、长寿命的器件，是理论上电光、光电转换效率最高的材料体系。这个“小身体大能量”的晶片叫作氮化镓（GaN）衬底晶片，是苏州纳维科技有限公司（以下简称苏州纳维）的主打产品。

“不会游泳的时候就跳下了水”

苏州纳维依托中科院苏州纳米所而建。作为中国首家氮化镓衬底晶片供应商， 团队从氮化镓单晶材料气相生长的设备开始研发，逐步研发成功1英寸、2英寸、4英寸、6英寸氮化镓单晶材料，实现了氮化镓单晶材料生长的n型掺杂、补偿掺杂，研制出高电导率的和半绝缘的氮化镓单晶。

中科院苏州纳米所所长特别助理、苏州纳米所测试分析平台中心主任、苏州纳维董事长徐科对《中国科学报》记者说：“通过10年努力，我们在氮化镓晶体结晶质量与块体材料电子迁移率等综合指标方面均步入国际第一方阵，2英寸氮化镓产品开始批量生产销售，2017年在国际上率先推出4英寸氮化镓单晶衬底，用户覆盖了国内外80％以上的研发机构和企业。”

现在公司的发展蒸蒸日上，而回想起自己刚刚“下海”开始做科研成果转化时的情景，徐科直言“不会游泳的时候就跳下了水”。

徐科从1995年开始做氮化镓材料生长研究，2004年回国后曾任教于北京大学物理学院。他说：“当我回国的时候，氮化物半导体的产业发展非常快，当时回来的定位就是瞄准产业发展瓶颈选择方向。”

凭着精准的触觉和创业的梦想，徐科毅然辞去北京大学的职务来到苏州，成为最早加入苏州纳米所的几个研究员之一。“氮化镓单晶材料生长难度非常大，那个时候国际上只有少数几个大的企业能够拿出样品，只有日本住友能够提供产品，我们一开始也没有绝对的信心一定能够研发成功。”徐科说。

作为苏州纳米所开始筹建后成立的第一家产业化公司，所长杨辉当时非常关心公司的研究进度，经常在上下班路过实验室的时候与研发人员讨论问题。

“创业公司的一个研发问题，最好能够在三个月内解决，否则会影响士气。”徐科至今都记得杨辉对他说的这句话。在研发过程中，他们也这样实践着。

徐科说：“遇到问题就集中攻关，经常就一个问题讨论到凌晨三四点钟，终于花了不到三年的时间，我们拿出了第一片完整的2英寸氮化镓单晶材料。”一鼓作气、敢于攻坚克难逐渐成为苏州纳维员工的做事风格。

集中攻关推进产业化

从成立至今，苏州纳维已经走过10个年头。徐科说：“在创业的前两年，我们经历了一个热血沸腾、感到无所不能的阶段。当时有资金、有精力、有想法，认为办法总比困难多。”

两年之后，当研发进入实质性的技术攻坚阶段，他们却发现“困难总比想法多”。“一方面是对氮化镓生长的很多基础科学问题理解得还不够，另一方面是一些看似简单的工艺过程，很难稳定实现，或者发现实现的成本太高，无法在生产中应用。不仅如此，我们还有一些‘按下葫芦浮起瓢’的问题，解决了这个问题，却引出后道工艺的其他新问题。”徐科告诉记者。

从第一个样品到用户愿意试用的产品阶段，往往是科技成果转化的“死亡之谷”。这个阶段里，很多的细微技术环节要不断地改进和优化，需要大量的设备、人力和资金投入，研发模式完全不同于一般的科学研究，资金需求量也与前期研发有数量级的差别，这也是很多科研人员出身的创业者不擅长的阶段。

“这个阶段我们花了6年时间，曾多次面临资金链断裂。”徐科坦言，“不过我们非常幸运，从早期的苏州工业园区领军人才项目、苏州市姑苏人才项目、江苏省重大科技成果转化项目，到科技部的‘863’项目、中科院的STS项目、发改委的战略性新型信息材料产业化项目，一路支持下来，每次都救我们于水深火热之中，终于熬到了有销售收入、风险投资机构能够看得上并愿意投资的阶段。”

对于当前的苏州纳维，公司主要精力集中在提升良率、降低成本、提升产能、提高客户服务能力上。徐科说：“我们的产品在技术水平上已经站到了国际先进行列，2016年12月美国加州大学研究组在《应用物理》杂志（Journal of Applied Physics）上公开评价了国际上2英寸氮化镓单晶产品的质量，苏州纳维的2英寸氮化镓名列第一。”

虽然产品已经逐步走向成熟，但氮化镓单晶衬底的价格仍然很高，全球企业用户数量有限，企业级客户主要被日本的住友和古河机械垄断。徐科说：“现在我们的主要客户在研发市场，大概占领了国内研发市场的60%左右、国际研发市场的10％左右。2016年公司开始逐步进入企业客户的试用阶段，预计2020年能够获得20％左右的企业客户市场份额。”

目前公司用户数量有300多家，基本上包括了国际上所有的氮化镓单晶衬底应用研究机构和企业，未来这些领域都将形成千亿量级的应用市场。

基础研究不能丢

“我记得郝跃院士有一次和我们讲，‘一件事情的成功，10％取决于经费，40％取决于团队，50％取决于坚持’，这个话很适合我们。取得这样的长足发展，很大程度上得益于研究所的支持、苏州扶持产业的优越政策环境。”徐科表示。

公司在创业初期，得到了中科院联想之星的培训，预先了解成果转化的难点，从思想到战术上都有了准备。徐科说：“我在工作中体会很深的一点是，在半导体行业，要做成果转化，基础研究不能丢，而且更要做深、做透，然后才能真正驾驭产品性能，才能说服客户。”在基础研究方面，我们的研究成果2016年入选国家自然科学基金委信息学部优秀成果汇编。

“我们能够坚持下来，主要是一直相信氮化镓单晶材料是氮化物半导体产业发展不可或缺的要素，我们要在新一代半导体技术上赶超别人，一定要把材料做好，我们中国人一定要攻下这个山头。”徐科说。

采访中记者发现，公司有个叫作“加油GaN”的口号。徐科解释：“氮化镓的元素符号是‘GaN’，正好是‘干’的汉语拼音。”

对于未来发展，苏州纳维公司也作好了“蓝图”规划。徐科说：“我们未来三年的重点是将技术优势转化为市场占有率，以高质量的氮化镓单晶衬底推动第三代半导体产业向纵深发展。公司长远的目标是产品水平持续保持国际前两位、市场占有率达到30％以上，逐步夯实在氮化物半导体材料生长装备、工艺技术、应用开发等方面的系统创新突破能力，成为一家在新型半导体材料和应用技术发展中持续作出贡献的伟大公司。”