院士講壇 | 鄭有炓：第三代半導(dǎo)體助力推進(jìn)現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展

先進(jìn)制造業(yè)院士講壇是由深圳市提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力戰(zhàn)略咨詢委員會(huì)、深圳市政府發(fā)展研究中心、深圳工業(yè)總會(huì)、深圳市先進(jìn)制造業(yè)聯(lián)合會(huì)共同創(chuàng)辦的傳播前沿科學(xué)技術(shù)、引領(lǐng)先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的常年公共科技平臺(tái)。除每?jī)稍乱黄诘?ldquo;院士開(kāi)講”，還有深入企業(yè)調(diào)研、“對(duì)話院士”座談會(huì)、院士報(bào)告會(huì)等活動(dòng)，持續(xù)發(fā)揮中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院頂級(jí)智庫(kù)資源，指導(dǎo)企業(yè)開(kāi)展科技攻關(guān)，全面提升深圳企業(yè)自主研發(fā)實(shí)力，引領(lǐng)深圳企業(yè)成為共和國(guó)先進(jìn)制造業(yè)的第一方隊(duì)。

在第一期“院士開(kāi)講”上，中國(guó)科學(xué)院院士、深圳先進(jìn)制造業(yè)院士指導(dǎo)委員會(huì)委員鄭有炓，詳細(xì)介紹了第三代半導(dǎo)體在高科技領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，受到媒體與業(yè)界熱烈響應(yīng)。

第三代半導(dǎo)體的誕生

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，第一代、第二代半導(dǎo)體極大地促進(jìn)了信息技術(shù)的革命，使人類社會(huì)從工業(yè)社會(huì)進(jìn)入到今天以互聯(lián)網(wǎng)為標(biāo)志的信息社會(huì)。在第一代、第二代半導(dǎo)體技術(shù)支撐之下，信息技術(shù)進(jìn)入社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)層面，改變了社會(huì)的生活方式、生產(chǎn)方式，對(duì)社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)了不可估量的影響。

太陽(yáng)光譜

第三代半導(dǎo)體氮化鎵、碳化硅具有特殊的寬禁帶材料的性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)寬光譜、高能效電光能量互轉(zhuǎn)換功能。它的光譜基本接近太陽(yáng)光譜，是準(zhǔn)太陽(yáng)光譜。能進(jìn)行光電相互轉(zhuǎn)化，是非常特殊的材料，由此可以發(fā)展出很多技術(shù)?？梢哉f(shuō)第三代半導(dǎo)體技術(shù)是顛覆性的技術(shù)，它超越第一代半導(dǎo)體鍺硅和第二代半導(dǎo)體砷化鎵、磷化銦，在光電子領(lǐng)域、功率電子領(lǐng)域、射頻領(lǐng)域里面發(fā)揮重要的作用。第三代半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)際上就是寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)。

作為固態(tài)光源，1993年日本科學(xué)家第一次推出高亮度商業(yè)化的藍(lán)光LED，用藍(lán)光LED激化黃光熒光粉，藍(lán)光、黃光混合變成白光，量子效率達(dá)到90%以上。這種用物理方式來(lái)創(chuàng)造白光的技術(shù)，改變了整個(gè)照明領(lǐng)域傳統(tǒng)的方式，引發(fā)了固態(tài)照明技術(shù)革命，開(kāi)啟固態(tài)照明新紀(jì)元。目前LED燈可以每瓦到200-300流明，能效可接近白熾燈的20倍、熒光燈的4倍。如果所有照明都采用LED的話，整個(gè)能效可以降低50%。

藍(lán)光LED

不僅僅藍(lán)光，現(xiàn)在從黃光到紫光很寬范圍都能創(chuàng)造出來(lái)。除了白光以外，紫光又是一個(gè)吸引眼球的點(diǎn)，這將是下一波重大發(fā)展領(lǐng)域的新技術(shù)——紫光技術(shù)。紫光技術(shù)最主要的是紫外固化技術(shù)，幾乎沒(méi)有一個(gè)工業(yè)不需要紫外固化。最簡(jiǎn)單的例子，以前補(bǔ)完牙齒以后晚上才能吃飯，3D打印出來(lái)后紫光固化，馬上就可以吃飯。第二個(gè)是殺菌技術(shù)，很多環(huán)境各種空間都需要消毒殺菌。這兩項(xiàng)技術(shù)將給整個(gè)社會(huì)帶來(lái)巨大的變革，有著廣闊的市場(chǎng)。

第三代半導(dǎo)體是具有極端光電性能和能耐惡劣環(huán)境的新一代高能效低功耗半導(dǎo)體技術(shù)，它不是新器件，而是器件發(fā)出新的功能，即高能效、低功耗，這也正是目前技術(shù)社會(huì)發(fā)展所需求的。它克服了第一代、第二代半導(dǎo)體發(fā)展的短板，并與第一代、第二代協(xié)同創(chuàng)新發(fā)揮作用。將來(lái)應(yīng)該是三代半導(dǎo)體同步支持信息技術(shù)的發(fā)展。

三星與蘋(píng)果中的第三代半導(dǎo)體

在地球表面上幾乎任何地方都需要光，凡是與光相關(guān)的領(lǐng)域都可以應(yīng)用LED，實(shí)現(xiàn)需要的光、波長(zhǎng)和能量，從而推動(dòng)各個(gè)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。最近研究比較重要的LED Li-Fi技術(shù)，比WIFI技術(shù)快100倍，而且不受電磁波干擾，可以實(shí)現(xiàn)高速寬帶數(shù)據(jù)傳輸，一部高清電影只要一兩秒鐘就能下載。用光波來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)傳輸，可以作為物聯(lián)網(wǎng)的補(bǔ)充，這是跨界融合的重要商機(jī)。

三星公司推出的全球首個(gè)LED電影院

上個(gè)月三星公司推出的全球首個(gè)LED電影院，不用關(guān)燈，全是LED顯示屏，觀眾跟畫(huà)面一體化，這樣真正產(chǎn)生真實(shí)感，變成很好的AR/VR技術(shù)。數(shù)字激光電影才發(fā)展沒(méi)有多少年，就要被LED取代了。目前國(guó)內(nèi)激光投影產(chǎn)業(yè)大概每年有400億美元，如果是LED代替它有多大前景呢？大家可以想象一下。間距縮小以后就開(kāi)拓了更大的技術(shù)應(yīng)用范圍。

目前在電子制造業(yè)里面，普遍看好采用第三代半導(dǎo)體碳化硅、氮化鎵的電子器件。世界上幾個(gè)電子器件巨頭公司全部投入其中，應(yīng)用器件的大公司也已開(kāi)始重點(diǎn)關(guān)注。所以說(shuō)這是一場(chǎng)不知不覺(jué)新的變革，第三代電子器件將逐步取代硅的技術(shù)。它的優(yōu)勢(shì)非常明顯，大大減少能耗的同時(shí)，體積更小、重量更輕，可靠性高且移動(dòng)方便。另外可以支持高電壓、大電流，滿足高鐵、航空母艦、電磁彈射炮等大功率的要求。這些都是第一二代半導(dǎo)體力有不足的。

無(wú)線充電技術(shù)

現(xiàn)在蘋(píng)果手機(jī)推出無(wú)線充電，國(guó)際上也要求電動(dòng)車充電不用電線，而是在馬路上建好射頻源，車停下來(lái)就可以無(wú)線充電。無(wú)線充電具有非常廣闊的商業(yè)前景，其核心——氮化鎵射頻技術(shù)，目前看來(lái)是熱點(diǎn)，但未來(lái)的應(yīng)用很廣泛，它將取代磁控管開(kāi)拓全新的市場(chǎng)，而不僅僅是對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)很重要。當(dāng)然這會(huì)有一個(gè)過(guò)程，但遲早會(huì)走到那一步。

“物聯(lián)網(wǎng)+業(yè)界”各個(gè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級(jí)

信息技術(shù)發(fā)展浪潮有三個(gè)，第一個(gè)是計(jì)算機(jī)浪潮，應(yīng)用第一代半導(dǎo)體，已經(jīng)走過(guò)了。第二個(gè)浪潮是互聯(lián)網(wǎng)，就在近幾年。這是第一代、第二代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展起來(lái)的。目前新一代發(fā)展，是在第一代、第二代、第三代共同支撐下，進(jìn)入萬(wàn)物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。如果說(shuō)互聯(lián)網(wǎng)改變了人們的生活，那么物聯(lián)網(wǎng)改變了社會(huì)，改變了社會(huì)的未來(lái)。將來(lái)制造可能是個(gè)性化的智能制造，是用數(shù)據(jù)分析來(lái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品全生命周期的制造。“物聯(lián)網(wǎng)+業(yè)界”，意味著各個(gè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級(jí)。

在此，我提兩個(gè)建議：

第一，建議深圳市充分發(fā)揮綜合優(yōu)勢(shì)，加快發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建萬(wàn)物互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)智能化的數(shù)字深圳，挖掘利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)資源，為使我國(guó)早日實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)作貢獻(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)要5G網(wǎng)絡(luò)，我國(guó)領(lǐng)頭企業(yè)就是華為、中興，5G網(wǎng)絡(luò)最大優(yōu)勢(shì)在深圳。

第二，建議智能裝備或者智能技術(shù)盡早采用第三代半導(dǎo)體技術(shù)。在國(guó)內(nèi)電子領(lǐng)域里面，一場(chǎng)靜悄悄的變革可能將在七八年的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，與其等待變化，不如搶占先機(jī)，在尖端、高端的裝備里面就用第三代半導(dǎo)體技術(shù)，特別是移動(dòng)智能裝置。新一代智能裝備/設(shè)備再不允許以巨大能耗為代價(jià)，綠色產(chǎn)業(yè)、綠色設(shè)備、綠色產(chǎn)品，是必然的發(fā)展方向。