嘉賓介紹：

敖金平，江南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)高級(jí)會(huì)員。1989年畢業(yè)于武漢大學(xué)物理系，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位，1992年獲電子工業(yè)部第十三研究所半導(dǎo)體物理與器件碩士學(xué)位，2000年獲吉林大學(xué)微電子學(xué)與固體電子學(xué)博士學(xué)位。曾擔(dān)任電子工業(yè)部第十三研究所GaAs超高速集成電路研究室副主任，高級(jí)工程師。主持過(guò)863計(jì)劃、預(yù)研和國(guó)家攻關(guān)計(jì)劃等國(guó)家級(jí)項(xiàng)目多項(xiàng)。2001年赴日本國(guó)立德島大學(xué)工作，主要從事基于GaN的光電器件和電子器件的研究工作。在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊和國(guó)際會(huì)議上發(fā)表論文300余篇，擁有20余項(xiàng)發(fā)明專利。

本期話題：

00:30 第三代半導(dǎo)體氮化鎵的起源與應(yīng)用方向

04:25 GaN微波肖特基二極管讓微波無(wú)線傳輸不再是夢(mèng)！

10:54未來(lái)氮化鎵器件如何實(shí)現(xiàn)降本增效？

18:23落地?zé)o線微波傳輸技術(shù)還存在哪些技術(shù)難點(diǎn)或瓶頸？

01.第三代半導(dǎo)體氮化鎵的起源與應(yīng)用方向

幻實(shí)（主播）：

歡迎大家收聽芯片揭秘，我是主播幻實(shí)。本期我邀請(qǐng)到了江南大學(xué)集成電路學(xué)院博士生導(dǎo)師敖金平教授。敖教授曾在日本德島大學(xué)工作，該大學(xué)是日本少數(shù)能夠培養(yǎng)出諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主的地方國(guó)立大學(xué)，因其學(xué)生成功研發(fā)出世界上第一個(gè)高亮度藍(lán)光LED而享譽(yù)海外。敖教授從事的是GaN的光電器件和電子器件的研究，在這個(gè)領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，所以今天我要跟敖教授好好地請(qǐng)教一下。敖教授，您研究的氮化鎵（GaN）在微波和高頻應(yīng)用中有非常大的潛力，您在研究GaN器件時(shí)肯定面臨過(guò)一些技術(shù)挑戰(zhàn)，能不能跟我們分享一下研究中遇到的困難？這個(gè)器件的特色又會(huì)帶來(lái)哪些不一樣的難點(diǎn)？

敖金平（嘉賓）：

氮化鎵材料我們一般叫它寬禁帶半導(dǎo)體或者第三代半導(dǎo)體，它相對(duì)于過(guò)去的硅（Si）、砷化鎵（GaAs）等第一、二代半導(dǎo)體，在高溫、高耐壓以及承受大電流等多個(gè)方面具備明顯的優(yōu)勢(shì)。氮化鎵器件最早制造出來(lái)是用于發(fā)光領(lǐng)域的，也就是藍(lán)光和白光。我2001年時(shí)去了日本，剛開始也是研究發(fā)光領(lǐng)域，因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候做器件的條件還不太成熟，材料也短缺，做了兩年之后，后來(lái)才慢慢切換到其他方向。

幻實(shí)（主播）：

那個(gè)時(shí)候的發(fā)光方向應(yīng)用的市場(chǎng)是LED嗎？

敖金平（嘉賓）：

是的，就是LED，日本是當(dāng)時(shí)這個(gè)領(lǐng)域做得最好的，氮化鎵就是在這里突破的。這也是我去日本德島大學(xué)（Tokushima University）的原因之一。1993年，畢業(yè)于德島大學(xué)的中村修二在工作期間成功開發(fā)出全世界第一顆高亮度藍(lán)光LED。

幻實(shí)（主播）：

日本在氮化鎵領(lǐng)域是鼻祖？

敖金平（嘉賓）：

對(duì)，很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)一半以上的產(chǎn)品都是從德島制造出來(lái)的。要知道德島只是個(gè)小城市，當(dāng)時(shí)只有二十六萬(wàn)人，卻占了世界份額的一半以上。日本一些老先生都是做發(fā)光的，當(dāng)時(shí)很需要我們這種做電力電子器件、做微波器件的人，所以他們就全球招人。

幻實(shí)（主播）：

他們也想找點(diǎn)新的應(yīng)用去做突破，所以那時(shí)候您去日本算是非常早地做這個(gè)器件研究的一撥人了。

敖金平（嘉賓）：

對(duì)，因?yàn)槲以瓉?lái)在國(guó)內(nèi)是在中電科十三所，當(dāng)時(shí)是做砷化鎵的，所以有相關(guān)的經(jīng)歷。

幻實(shí)（主播）：

你是做第二代半導(dǎo)體的，然后讓你去研究第三代半導(dǎo)體？

敖金平（嘉賓）：

是的，當(dāng)時(shí)我聽說(shuō)堆著很高的簡(jiǎn)歷，最后一個(gè)到的，幸運(yùn)的是成功了，因?yàn)樗谌蛘腥?，所以?jìng)爭(zhēng)很厲害，我進(jìn)去之后就做氮化鎵了。當(dāng)然你的問(wèn)題提得非常好，從發(fā)光領(lǐng)域轉(zhuǎn)向電力電子器件或微波器件的研發(fā)，離不開過(guò)往的技術(shù)積累，這一歷程始于砷化鎵材料的研究?，F(xiàn)在我們做的微波和毫米波器件，就傳承了過(guò)去砷化鎵研究的經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)然，與發(fā)光不同，微波器件有著更為復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

幻實(shí)（主播）：

與原來(lái)相比還是復(fù)雜多了。

敖金平（嘉賓）：

對(duì)，然后它要求也不一樣。發(fā)光器件就是能夠最大效率的發(fā)光，然后把光導(dǎo)出來(lái)就可以了，這與做電力電子器件、微波器件是完全不同的理念，微波器件對(duì)里面每一層的結(jié)構(gòu)要求、工藝要求都不一樣。所以對(duì)于原來(lái)做發(fā)光的這些專家們來(lái)講這是新的東西，藍(lán)光LED是日本突破的，但是后來(lái)在電力電子器件方面，美國(guó)做的比較好，大家也都跟上來(lái)。

藍(lán)光發(fā)光LED（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

幻實(shí)（主播）：

GaN突破后反而在美國(guó)最快變成跨界的應(yīng)用？

敖金平（嘉賓）：

日本在這方面也有布局。日本一些主要的大公司也在研發(fā)電子器件和微波器件，這需要不同的技術(shù)理念和制造設(shè)備。其中最大的問(wèn)題是：電子器件要求細(xì)線條。傳統(tǒng)發(fā)光器件的特征尺寸在數(shù)百微米量級(jí)，對(duì)圖形線條的精度要求相對(duì)較低；而電子器件則需要幾百納米甚至幾十納米的精細(xì)加工。

幻實(shí)（主播）：

量程都不一樣啊？

敖金平（嘉賓）：

量程不一樣，它們對(duì)線條的要求也不一樣。尤其將來(lái)器件微波化以后，肯定都要到納米級(jí)了，也就是零點(diǎn)幾微米，我們叫亞微米級(jí)。

幻實(shí)（主播）：

所以這個(gè)器件的研發(fā)關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)材料特性與新工藝要求的匹配突破。

敖金平（嘉賓）：

對(duì)，工藝要求不一樣，也需要有更好的設(shè)備。

幻實(shí)（主播）：

您在日本待了多久？

敖金平（嘉賓）：

前前后后差不多有二十年的時(shí)間。

幻實(shí)（主播）：

那您應(yīng)該參與了產(chǎn)業(yè)變化的整個(gè)過(guò)程。

02.GaN微波肖特基二極管讓微波無(wú)線傳輸不再是夢(mèng)！

幻實(shí)（主播）：

我看您最近在AEMIC大會(huì)中分享了關(guān)于GaN微波肖特基二極管設(shè)計(jì)與制造的創(chuàng)新方案，您能不能給我們講講這個(gè)創(chuàng)新方向的核心邏輯以及產(chǎn)品的技術(shù)亮點(diǎn)？讓我們也了解一下在這個(gè)傳統(tǒng)的賽道還有什么新玩法。

肖特基二極管：也稱為肖特基勢(shì)壘二極管（Schottky Barrier Diode），是一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件。

敖金平（嘉賓）：

氮化鎵材料在微波器件制造中具有重要應(yīng)用，特別是在通信領(lǐng)域。以手機(jī)基站為例，基站要把信號(hào)發(fā)出來(lái)，在低頻段，傳統(tǒng)的硅基MOS器件即可滿足需求；后來(lái)到了高頻段，也就是微波甚至毫米波段，砷化鎵成為更合適的選擇。然而，砷化鎵存在工作電壓低、功率輸出受限等問(wèn)題，這使得氮化鎵成為更優(yōu)解決方案。而我們研發(fā)肖特基二極管的契機(jī)，與2007年前后提出的“空間太陽(yáng)能發(fā)電計(jì)劃”相關(guān)。

幻實(shí)（主播）：

空間太陽(yáng)能發(fā)電，聽起來(lái)好“三體”。

空間太陽(yáng)能發(fā)電（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

敖金平（嘉賓）：

民間現(xiàn)在也把它叫做“太空充電寶”，其核心理念是將太陽(yáng)能電池從地面轉(zhuǎn)移至太空。目前，我們的太陽(yáng)能電池主要部署在地面、沙漠或者海上，但這些位置受限于晝夜交替和天氣變化，如夜晚或陰雨天氣時(shí)，發(fā)電效率顯著下降。因此，盡管我們投入了大量資金建設(shè)地面太陽(yáng)能設(shè)施，實(shí)際上接收到的光能利用率不足30%。

幻實(shí)（主播）：

這些能量在傳輸?shù)倪^(guò)程中就損耗沒(méi)了？

敖金平（嘉賓）：

地面上的太陽(yáng)能電池接觸到光的時(shí)間有限，我們就想怎么能夠讓它24小時(shí)不停地發(fā)電呢？就是要把太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施打到太空里去，放在位于36000公里的地球同步軌道，這樣它能夠24小時(shí)發(fā)電。

幻實(shí)（主播）：

這個(gè)位置不受地球自轉(zhuǎn)的影響，可以一直有太陽(yáng)。

敖金平（嘉賓）：

收集到了足夠的電之后，下一步的關(guān)鍵問(wèn)題是如何將這些能量高效地傳輸回地球。目前，主要的傳輸方式有兩種：微波和激光。我當(dāng)時(shí)在日本工作的時(shí)候，曾接觸到京都大學(xué)的相關(guān)研究，他們主要專注于微波傳輸技術(shù)。在研究過(guò)程中他們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的微波器件不好用了。這是因?yàn)椋?strong>傳統(tǒng)微波器件主要用于通信領(lǐng)域，例如手機(jī)通信，其傳輸?shù)哪芰考?jí)別僅為微瓦級(jí)，只需接收信號(hào)并放大即可。但在空間太陽(yáng)能發(fā)電中，微波傳輸?shù)哪芰考?jí)別遠(yuǎn)高于通信領(lǐng)域，傳統(tǒng)器件無(wú)法承受如此高的能量負(fù)載，導(dǎo)致效率極低甚至無(wú)法正常工作。

幻實(shí)（主播）：

在通訊領(lǐng)域可以用，在空間太陽(yáng)能發(fā)電中能量太高就沒(méi)法用了？

敖金平（嘉賓）：

對(duì)，能量不一樣，它承受的功率、電壓也是不一樣的。當(dāng)時(shí)市面上都沒(méi)有，我們也是從零開始研發(fā)這個(gè)東西。

幻實(shí)（主播）：

您當(dāng)時(shí)不覺(jué)得很異想天開嗎？我感覺(jué)現(xiàn)在聽了都覺(jué)得異想天開。

敖金平（嘉賓）：

當(dāng)時(shí)是這樣感覺(jué)，但是實(shí)際上幾年以后我們就可以實(shí)現(xiàn)了。

幻實(shí)（主播）：

真的實(shí)現(xiàn)的話，我們未來(lái)就要成為“宇宙人”了，不是地球村了。

敖金平（嘉賓）：

我們?cè)谔站蜁?huì)有太陽(yáng)能電站，將來(lái)不管是去海上還是島上，不管在什么地方都能接收到電了。

地面太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

幻實(shí)（主播）：

這個(gè)跟您研發(fā)的肖特基二極管有什么聯(lián)系？

敖金平（嘉賓）：

肖特基二極管正好是用于接收端的。我之前提到的發(fā)射端要用氮化鎵的功率放大器，跟通訊是一樣的，而接收端就需要用到天線，然后加入肖特基二極管，這個(gè)叫微波整流電路，要把接收的無(wú)線電變成一個(gè)直流電。

幻實(shí)（主播）：

這個(gè)產(chǎn)品方向感覺(jué)是很前沿的領(lǐng)域。

敖金平（嘉賓）：

我們當(dāng)時(shí)做的時(shí)候市面上是沒(méi)有的，那就要開始研發(fā)。當(dāng)時(shí)面臨一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題：如果接收進(jìn)來(lái)的微波比較強(qiáng)，二極管就要承受一定的電壓，還要非常高效地轉(zhuǎn)換電能。最開始時(shí)效率很低，現(xiàn)在把一個(gè)微波的能量變成直流電，效率可以達(dá)到百分之九十往上。

幻實(shí)（主播）：

聽起來(lái)已經(jīng)很厲害了，現(xiàn)在這個(gè)二極管已經(jīng)做出來(lái)了嗎？

敖金平（嘉賓）：

是的，目前，我們已經(jīng)開始向國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)提供樣品，供其測(cè)試和使用，比如四川大學(xué)、上海大學(xué)還有一些科研院所。此外，一些致力于開發(fā)相關(guān)系統(tǒng)的企業(yè)也在使用我們的器件進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證和產(chǎn)品開發(fā)。

幻實(shí)（主播）：

如果是這樣，在很多需要用電的設(shè)備或者物品上裝上您研發(fā)的這個(gè)肖特基二極管就可以直接接收電了，對(duì)不對(duì)？又因?yàn)樗俏⒉o(wú)線傳輸?shù)?，這就相當(dāng)于變成遠(yuǎn)距離無(wú)線充電了，這個(gè)產(chǎn)品的想象空間還是很大的。

微波無(wú)線輸能技術(shù)：將電能轉(zhuǎn)化為微波，通過(guò)天線遠(yuǎn)距離發(fā)射，在介質(zhì)或自由空間中定向地傳輸?shù)浇邮漳繕?biāo)，經(jīng)過(guò)微波整流環(huán)節(jié)后對(duì)負(fù)載進(jìn)行直流供電，可實(shí)行遠(yuǎn)距離、大容量電能的定向傳輸。

敖金平（嘉賓）：

對(duì)，這里面有兩種情況。一種是當(dāng)周圍存在特定發(fā)射源時(shí)，我們可以通過(guò)接收器直接捕獲能量，這種方式類似于無(wú)線充電技術(shù)。還有一種就是利用空間中廣泛存在的無(wú)線電波，例如來(lái)自Wifi基站或其他無(wú)線信號(hào)源的微弱能量。盡管這些能量非常微弱，到達(dá)接收端時(shí)可能僅為微瓦級(jí)（例如20微瓦），但我們正在研究如何將這些微弱的無(wú)線電波高效地收集并轉(zhuǎn)換為直流電，這一技術(shù)被稱為“能量收集”。未來(lái)隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳感器也將廣泛應(yīng)用于橋梁、道路等基礎(chǔ)設(shè)施中。傳感器依賴傳統(tǒng)電池供電的話，可能需要頻繁更換，所以不用電池，把我們的芯片嵌入傳感器中，它就能夠收集空中的無(wú)線電波并轉(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)需電池的自供電運(yùn)行。

幻實(shí)（主播）：

剛剛您隨便就講了好幾個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。這里我想問(wèn)一下，您覺(jué)得氮化鎵作為基礎(chǔ)的微波技術(shù)，在哪些方向或者哪些領(lǐng)域是比較有潛力的？

敖金平（嘉賓）：

現(xiàn)在比較通用的就是微波通訊，但隨著技術(shù)的發(fā)展，通信頻段正逐步向毫米波和太赫茲波段擴(kuò)展。太赫茲波段的頻率可能高達(dá)數(shù)百GHz（千兆赫茲），這些高頻段在通信領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景，在這些頻段中是一定要用到氮化鎵的。雖然過(guò)去砷化鎵也曾被使用，但其發(fā)射功率和傳輸距離有限，效率較低，難以滿足高頻段通信的需求。因此，從微波到毫米波再到太赫茲波段的通信技術(shù)，氮化鎵因其優(yōu)異的性能成為關(guān)鍵材料。此外，氮化鎵不僅限于通信領(lǐng)域，還廣泛應(yīng)用于軍用雷達(dá)、探測(cè)設(shè)備以及近年來(lái)快速發(fā)展的低空經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，例如無(wú)人機(jī)通信等，這些是發(fā)射端方面氮化鎵的應(yīng)用。還有一個(gè)用途，氮化鎵在能量傳輸和收集領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用，所以接收端也肯定是用氮化鎵。因?yàn)闊o(wú)論是通過(guò)微波傳輸能量，還是從環(huán)境中收集微弱的無(wú)線電波能量，氮化鎵器件都能夠承受高能量負(fù)載，并在高頻段下保持高效率工作。

無(wú)人機(jī)高空飛行中（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

幻實(shí)（主播）：

聽起來(lái)氮化鎵器件是一個(gè)非常好的載體器件，這也是敖教授您畢生研究的方向。

03.未來(lái)氮化鎵器件如何實(shí)現(xiàn)降本增效？

幻實(shí)（主播）：

有一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題：大家都覺(jué)得氮化鎵太貴了，用不起。您覺(jué)得在未來(lái)的產(chǎn)業(yè)化方向中，氮化鎵的成本有降低的空間嗎？因?yàn)槲伊私獾竭@些年碳化硅器件，襯底材料、外延材料成本都在降低，導(dǎo)致終端器件的整體成本也在逐步降低。相比之下，好像氮化鎵材料的成本下降幅度并不明顯。對(duì)此，我想請(qǐng)教您，造成這種差異的原因是什么？未來(lái)氮化鎵材料是否也有機(jī)會(huì)通過(guò)技術(shù)進(jìn)步或規(guī)模化生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)成本下降？

敖金平（嘉賓）：

這個(gè)問(wèn)題其實(shí)很簡(jiǎn)單，我們可以回顧一下藍(lán)光二極管（LED）的發(fā)展歷程： 在九十年代初期，藍(lán)光LED剛剛面世時(shí)，價(jià)格非常昂貴，一個(gè)小管子可能要十幾到二十元人民幣。然而，隨著技術(shù)的成熟和市場(chǎng)的擴(kuò)大，其成本迅速下降，如今甚至不到一分錢。這種現(xiàn)象的主要原因在于，越來(lái)越多的工廠開始使用，產(chǎn)量達(dá)到了一定規(guī)模，從而推動(dòng)了成本的降低和質(zhì)量的優(yōu)化。另外就是芯片尺寸的不斷擴(kuò)大也是降低成本的關(guān)鍵因素之一。例如，我早期在日本做研究時(shí)，主要使用的是2英寸的晶圓，而現(xiàn)在主流的晶圓尺寸已經(jīng)發(fā)展到4英寸、6英寸，甚至8英寸的研發(fā)也已經(jīng)展開。

幻實(shí)（主播）：

芯片尺寸不斷增大，單顆Die的成本也能夠進(jìn)一步地降低。

敖金平（嘉賓）：

總的來(lái)說(shuō)，想要降低成本，一方面是芯片制造逐步向更大尺寸的晶圓發(fā)展；另一方面，隨著市場(chǎng)應(yīng)用的推廣和普及，生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)也將推動(dòng)成本的持續(xù)下降。

芯片揭秘 主播幻實(shí)（左） 對(duì)話

江南大學(xué)集成電路學(xué)院博士生導(dǎo)師 敖金平（右）

幻實(shí)（主播）：

氮化鎵材料成本有沒(méi)有降低的空間？

敖金平（嘉賓）：

主要就是在材料方面降低成本，因?yàn)橹圃焐洗蠹叶疾畈欢啵鄬?duì)來(lái)講氮化鎵半導(dǎo)體材料比硅的生產(chǎn)流程要短。

幻實(shí)（主播）：

您的意思是說(shuō)氮化鎵不需要經(jīng)過(guò)那么多道的工藝。那舉個(gè)例子，像您研發(fā)的肖特基二極管做成GaN基的大概需要多少道工藝？

敖金平（嘉賓）：

首先肖特基二極管的有源層，通過(guò)外延生長(zhǎng)工藝一次性生長(zhǎng)形成。不像硅基器件，還要經(jīng)過(guò)擴(kuò)散、注入、退火處理等多道工藝，反反復(fù)復(fù)形成N型P型。一次性外延生長(zhǎng)好之后只要在上面接著做結(jié)構(gòu)就行，一共只需要幾道工藝就可以做成，所以我們也不需要配備很多實(shí)驗(yàn)室了。

幻實(shí)（主播）：

我參觀您的實(shí)驗(yàn)室時(shí)就感覺(jué)很集聚、很精致，房間也不是特別大，這樣的情況下就把器件做出來(lái)了。

敖金平（嘉賓）：

對(duì)，它是反復(fù)使用的，而且實(shí)際上外延片已經(jīng)把有源層做好了，后面就是光刻、沉積、刻蝕、金屬化等四道工藝，相比硅基器件來(lái)說(shuō)流程要短得多。

幻實(shí)（主播）：

與硅基相比，這也是GaN基的優(yōu)勢(shì)了。隨著硅基技術(shù)逐漸發(fā)展到納米級(jí)，其制造工藝變得越來(lái)越復(fù)雜，例如需要深孔刻蝕、多層堆疊等高難度技術(shù)，這個(gè)也是很難的。

敖金平（嘉賓）：

但是GaN基的片子要比硅片貴。硅片因?yàn)槭强瞻椎模耆亢竺鎭?lái)做工藝，所以它的基板便宜。我們的GaN基片需要外延工藝進(jìn)行處理，所以基板的成本較高。

幻實(shí)（主播）：

其實(shí)我參觀完您的實(shí)驗(yàn)室后，我感覺(jué)產(chǎn)學(xué)研這件事是挺不容易的，從基礎(chǔ)研究到技術(shù)轉(zhuǎn)化，需要付出的努力可能無(wú)法估量。您經(jīng)歷了這么多年技術(shù)的推動(dòng)，從您的視角上來(lái)看，您覺(jué)得技術(shù)轉(zhuǎn)化的過(guò)程中最大的挑戰(zhàn)是什么呢？什么方向是需要尋求解決方案的？

敖金平（嘉賓）：

在器件研發(fā)過(guò)程中，我們面臨的最大挑戰(zhàn)并非技術(shù)實(shí)現(xiàn)本身，而在于如何精準(zhǔn)定位產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景和市場(chǎng)需求。就是我們一定要搞清楚，我們做這個(gè)東西什么時(shí)候可以用？它的應(yīng)用場(chǎng)景在哪？這個(gè)非常重要。

幻實(shí)（主播）：

一般提到氮化鎵的時(shí)候，大家都會(huì)覺(jué)得它是應(yīng)用于快充、充電樁等場(chǎng)景，而今天您跟我講的角度都是我沒(méi)聽過(guò)的，這種對(duì)氮化鎵應(yīng)用場(chǎng)景的探索與選擇，我覺(jué)得還是蠻需要勇氣的，因?yàn)樗旧砗軓?fù)雜，門檻又特別高。

敖金平（嘉賓）：

實(shí)際上市場(chǎng)并不會(huì)等待氮化鎵的問(wèn)世，市場(chǎng)往往基于現(xiàn)有的技術(shù)做相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)，通常是新事物出現(xiàn)后主動(dòng)去適應(yīng)市場(chǎng)，而非坐等市場(chǎng)尋求。當(dāng)然，存在一種特殊情況，即藍(lán)光技術(shù)。藍(lán)光技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)便迅速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，這一過(guò)程極為短暫。其原因在于，在過(guò)去的半導(dǎo)體發(fā)光領(lǐng)域，僅有基于砷化鎵制成的黃光、紅光產(chǎn)品，而不存在藍(lán)光與綠光產(chǎn)品。因此，當(dāng)藍(lán)光、綠光技術(shù)研發(fā)成功后，即便初期產(chǎn)品質(zhì)量欠佳，也立刻吸引了市場(chǎng)的關(guān)注與應(yīng)用。

幻實(shí)（主播）：

那第一波“吃螃蟹的”是什么樣的公司呢？

敖金平（嘉賓）：

這個(gè)就說(shuō)來(lái)話長(zhǎng)了，不過(guò)“第一個(gè)吃螃蟹的人”肯定是很有勇氣的，它就是日本的日亞化學(xué)。日亞化學(xué)當(dāng)時(shí)是一家很小的公司，只有不到100人，他們主要生產(chǎn)日光燈的熒光粉。當(dāng)時(shí)是80年代，日亞化學(xué)的社長(zhǎng)因?yàn)槁犃说聧u大學(xué)一個(gè)教授說(shuō)將來(lái)發(fā)展氮化鎵是個(gè)機(jī)會(huì)，就選擇支持研究氮化鎵。那個(gè)時(shí)候氮化鎵是什么概念呢？在60年代時(shí)人們就明白氮化鎵將來(lái)能發(fā)綠光、藍(lán)光的這個(gè)理論及能帶計(jì)算，但是材料合成不出來(lái)，更不用說(shuō)做成器件結(jié)構(gòu)以及發(fā)光二極管。

基本上大家試的很多方式都放棄了，就日本的名古屋大學(xué)、德島大學(xué)以及日亞化學(xué)等幾個(gè)地方還在堅(jiān)持，最終成功了。早期的話什么設(shè)備都沒(méi)有，只能自己搭建，還要自己去想原理，但是這么艱難的情況下他們也只花了幾年時(shí)間就突破了。1993年日亞化學(xué)的員工成功研制出世界上第一個(gè)高亮度藍(lán)光發(fā)光二極管，轟動(dòng)世界了，大家知道了原來(lái)我們半導(dǎo)體可以發(fā)出這么漂亮的藍(lán)光。

幻實(shí)（主播）：

氮化鎵從此不再是理論概念，是真的有了物理世界。

敖金平（嘉賓）：

氮化鎵是最有故事的一個(gè)半導(dǎo)體材料，包括研發(fā)材料的這些人也有很多傳奇。我在日本工作時(shí)有很多書都在宣傳當(dāng)時(shí)他們是怎么突破氮化鎵的。確實(shí)走出第一步是很需要勇氣的，必須要沉得住氣，反復(fù)去試驗(yàn)。這一批人可以成功，我覺(jué)得最大的優(yōu)點(diǎn)就是大家的動(dòng)手能力很強(qiáng)。氮化鎵的研發(fā)歷史向我們展現(xiàn)了一個(gè)技術(shù)改變了一個(gè)公司甚至改變世界。

幻實(shí)（主播）：

也改變了一所大學(xué)在全球的評(píng)價(jià)。

敖金平（嘉賓）：

德島大學(xué)當(dāng)時(shí)是日本地方國(guó)立大學(xué)，居然也出了一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)得主。你可能想象不出，日亞化學(xué)其實(shí)是在德島縣鄉(xiāng)下的一片稻田里面，他們成功研發(fā)出氮化鎵，2014年其員工中村修二也借此獲得諾貝物理學(xué)獎(jiǎng)，真的非常勵(lì)志。

幻實(shí)（主播）：

這真的很榮耀。敖教授您現(xiàn)在也在帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)為江南大學(xué)做學(xué)科的建設(shè)，請(qǐng)問(wèn)您在做博士生導(dǎo)師培養(yǎng)學(xué)生的過(guò)程中，您比較看重什么樣的能力？會(huì)有針對(duì)性地培養(yǎng)學(xué)生什么樣的能力呢？

敖金平（嘉賓）：

首先，學(xué)生本身需要對(duì)科研工作充滿興趣，并且具備耐心和專注力，能夠長(zhǎng)時(shí)間投入研究。因?yàn)橐坏┰趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究，可能需要連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)。我在日本時(shí)曾有一位學(xué)生，他跟我說(shuō)：“敖先生，我可以參與研究，但我不想進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。”那么，他只能在外面做一些仿真或理論分析工作。然而，真正深入科研領(lǐng)域，尤其是實(shí)驗(yàn)研究，學(xué)生需要具備較強(qiáng)的動(dòng)手能力，能夠熟練操作大型儀器設(shè)備。對(duì)于學(xué)生而言，這不僅是寶貴的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，也是一種難得的鍛煉。因?yàn)槟軌蚪佑|并操作大型設(shè)備的機(jī)會(huì)并不多，尤其是在高規(guī)格的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中。

另外一方面就是半導(dǎo)體比較難，很多東西是看不見、摸不著的，比如電流怎么流等，這種完全是靠想象，因此有豐富的想象力非常重要。另外半導(dǎo)體也很復(fù)雜，它跟材料、化學(xué)領(lǐng)域等都有緊密相連，而且其應(yīng)用場(chǎng)景極為廣泛，涵蓋電力、電子、微波、通訊等多個(gè)領(lǐng)域。因此，學(xué)生需要具備廣泛的知識(shí)面。

幻實(shí)（主播）：

這么看來(lái)培養(yǎng)一個(gè)人才是很不容易的。

敖金平（嘉賓）：

本身半導(dǎo)體行業(yè)的入門門檻也高。我們的學(xué)生未來(lái)想要真正成長(zhǎng)起來(lái)需要學(xué)習(xí)很多東西，從本科開始，他們要學(xué)習(xí)普通物理、量子力學(xué)、固體物理以及材料物理等，后面還涉及到半導(dǎo)體器件、集成電路等諸多相關(guān)知識(shí)。學(xué)習(xí)完理論之后還要去實(shí)踐，他們才能真正成為一個(gè)合格的工程師。

04.無(wú)線微波傳輸想要落地還存在哪些技術(shù)難點(diǎn)或瓶頸？

幻實(shí)（主播）：

最后一個(gè)問(wèn)題想跟您請(qǐng)教一下，因?yàn)槟芯康氖堑壍臒o(wú)線微波傳輸技術(shù)，這個(gè)其實(shí)是一個(gè)非常前沿的方向。您能不能給我們展望一下未來(lái)5—10年技術(shù)路線會(huì)發(fā)展成什么樣？還有哪些瓶頸需要解決？

氮化鎵外延片（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

敖金平（嘉賓）：

微波無(wú)線傳能技術(shù)，最有代表性的大工程，就是我之前提到過(guò)的宇宙太陽(yáng)能發(fā)電。

幻實(shí)（主播）：

這件事真的會(huì)實(shí)現(xiàn)嗎？

敖金平（嘉賓）：

這個(gè)目標(biāo)會(huì)實(shí)現(xiàn)的。過(guò)去沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的原因是因?yàn)槲覀兗夹g(shù)水平還沒(méi)有達(dá)到要求。我們之前的工作主要集中在解決基礎(chǔ)技術(shù)問(wèn)題，例如在發(fā)射端和接收端的芯片設(shè)計(jì)上，確保發(fā)射效率和接收效率達(dá)到較高水平。然而，中間環(huán)節(jié)——即微波的傳輸效率問(wèn)題，則需要依賴微波和天線領(lǐng)域的專家來(lái)解決。他們的研究重點(diǎn)是如何讓微波在傳輸過(guò)程中盡量減少損耗，并實(shí)現(xiàn)高效的接收。此外，微波傳輸還需要解決定向性問(wèn)題。與激光不同，激光具有極強(qiáng)的指向性，而微波在傳輸過(guò)程中通常是發(fā)散的。例如，在通信領(lǐng)域或驅(qū)動(dòng)小電器時(shí)，微波是以大面積發(fā)散的方式傳輸?shù)摹Ｈ欢?，為了?shí)現(xiàn)高效、快速的能量傳輸，微波需要具備更強(qiáng)的指向性。因此，天線組合技術(shù)的研究也是關(guān)鍵之一。

當(dāng)然在太空應(yīng)用中，情況就比較復(fù)雜了。因?yàn)樾l(wèi)星在太空中運(yùn)行，調(diào)整其角度和位置非常困難。目前，從“十三五”到“十四五”期間，我國(guó)已經(jīng)在西安電子科技大學(xué)南校區(qū)建設(shè)了一座70多米高的實(shí)驗(yàn)塔，該設(shè)施用于將收集到的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電，再轉(zhuǎn)換為微波，最后通過(guò)天線發(fā)射到地面接收。這一實(shí)驗(yàn)已經(jīng)取得了成功，驗(yàn)證了技術(shù)的可行性。

幻實(shí)（主播）：

理論實(shí)驗(yàn)都做過(guò)了？

敖金平（嘉賓）：

這個(gè)已經(jīng)在做了。當(dāng)然其核心一是要解決傳輸效率問(wèn)題，二是讓傳輸具有指向性并且實(shí)現(xiàn)可控，這些問(wèn)題都解決了之后下一步就要發(fā)衛(wèi)星了。我預(yù)測(cè)可能會(huì)在“十五五”期間（需經(jīng)國(guó)家相關(guān)部門審批且技術(shù)水平達(dá)標(biāo)），可能啟動(dòng)試驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)。當(dāng)前，我國(guó)航空航天領(lǐng)域技術(shù)水平很高，若能將成熟的航天工程能力與微波能量傳輸技術(shù)深度融合，未來(lái)十年內(nèi)有望實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星的部署。到那時(shí)，宇宙太陽(yáng)能發(fā)電就會(huì)從概念走向?qū)嶋H應(yīng)用。

幻實(shí)（主播）：

那這樣的話，在太空上就可以有無(wú)窮無(wú)際的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，就不用帶太多燃料了。

敖金平（嘉賓）：

對(duì)，有人做過(guò)一個(gè)試算，如果在太空按照每?jī)善椒焦镒笥业木嚯x部署一個(gè)太陽(yáng)能電池的話，它的電量相當(dāng)于一臺(tái)原子能發(fā)電。如果我們有足夠的衛(wèi)星，未來(lái)就不需要只依賴原子能發(fā)電了。

幻實(shí)（主播）：

太陽(yáng)能發(fā)電是純清潔的電源嗎？

敖金平（嘉賓）：

當(dāng)然這里面制造太陽(yáng)能電池也是需要成本的。

幻實(shí)（主播）：

在這個(gè)過(guò)程中，無(wú)線傳輸發(fā)電面臨哪些技術(shù)難點(diǎn)或瓶頸？

敖金平（嘉賓）：

根據(jù)用途不同，分為兩個(gè)方面。其一，如果是驅(qū)動(dòng)大面積的傳感器，需使能量盡量發(fā)散以實(shí)現(xiàn)廣泛覆蓋。在此情形下，關(guān)鍵在于優(yōu)化電力系統(tǒng)，提升其能量傳輸效率。其二，無(wú)論何種用途，都需解決傳輸過(guò)程中的高效性問(wèn)題。而若要實(shí)現(xiàn)定向傳輸，則需著重在天線上進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，使波束能夠精準(zhǔn)定向傳輸。尤其是針對(duì)從太空向地面的能量傳輸，必須保證其在各個(gè)環(huán)節(jié)都能被有效控制。

幻實(shí)（主播）：

我感覺(jué)一點(diǎn)都不擔(dān)心未來(lái)電力能源枯竭的問(wèn)題了。

敖金平（嘉賓）：

這是一個(gè)夢(mèng)想，我們是在為夢(mèng)想做研究。

幻實(shí)（主播）：

這個(gè)很值得驕傲，因?yàn)檫@是要坐冷板凳的，非常佩服您在這個(gè)賽道能堅(jiān)持這么長(zhǎng)的時(shí)間。

敖金平（嘉賓）：

我們做這個(gè)也快二十年了，這期間研發(fā)的器件一直在迭代升級(jí)，效率也越來(lái)越高。早期，氮化鎵器件的效率只有百分之四五十，如今已提升至百分之九十以上。從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，到工藝優(yōu)化，我們進(jìn)行了全方位的探索。同時(shí)，我們還制作了demo（小樣），將其轉(zhuǎn)化為各類轉(zhuǎn)換器，并持續(xù)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。目前來(lái)看，該技術(shù)已日趨成熟，距離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用僅一步之遙。但想要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還要面臨一些問(wèn)題。一方面，微波對(duì)人體健康存在潛在危害，因此，除了攻克技術(shù)難題，還需推動(dòng)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。明確在何種條件下、以何種方式使用該技術(shù)，方能確保人體安全與應(yīng)用的規(guī)范性。

幻實(shí)（主播）：

這就像高壓輸變電一樣，都有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和管控規(guī)范。

敖金平（嘉賓）：

當(dāng)前這一問(wèn)題或許更為迫切，不過(guò)，對(duì)此也無(wú)需擔(dān)憂，畢竟只要存在應(yīng)用場(chǎng)景，無(wú)論是企業(yè)、行業(yè)，還是國(guó)家層面，必然會(huì)著手思考應(yīng)對(duì)之策，我們可以制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。好在我們現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越接近實(shí)用化了。

幻實(shí)（主播）：

感謝敖教授今天給我們科普了這么多微波相關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景，也祝您的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟缛胀黄?，投入到產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用中。如果有企業(yè)想跟敖教授合作，也可以跟我們聯(lián)系，期待更多敢于”吃螃蟹的人“出現(xiàn)。

芯片揭秘說(shuō)

氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，憑借其卓越的性能在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，比如5G通信、新能源汽車、消費(fèi)電子、激光雷達(dá)與自動(dòng)駕駛以及國(guó)防與航空航天領(lǐng)域。據(jù)Yolo數(shù)據(jù)顯示，射頻氮化鎵器件的最大應(yīng)用市場(chǎng)是國(guó)防和航天應(yīng)用中的雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)。我國(guó)氮化鎵微波射頻器件在國(guó)防軍事與航天應(yīng)用市場(chǎng)已經(jīng)100%實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。此外，對(duì)于需要高頻高輸出的衛(wèi)星通信應(yīng)用，氮化鎵器件也有望逐步取代砷化鎵的解決方案。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)的快速發(fā)展，氮化鎵器件正從消費(fèi)電子向AI、新能源汽車、可再生能源等新興領(lǐng)域滲透，其技術(shù)突破與規(guī)模化應(yīng)用將深刻影響能源效率和電子設(shè)備的微型化發(fā)展。