科技成果推介（新材料领域）

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氮化镓基微电子材料与器件

成果单位：中国科学院半导体研究所

技术成熟度:批量生产

所属领域：新材料

合作方式：技术转让、合作开发

成果简介：

氮化镓（GaN）基微电子材料与器件属于战略性先进电子材料与核心电子器件领域，可广泛应用于 5G 通讯、雷达、新能源汽车、高铁、智能电网、消费电子等新一代信息产业的发展，具有重大应用前景和市场潜力，也是目前国家重点扶持和发展的战略核心科技与产业领域。

半导体研究所是国内最早开展 GaN 基微电子材料研发的单位，并一直在该领域起着引领、示范和带动作用。经过二十余年的自主创新，在 GaN 基微电子材料与器件领域取得了多项重大技术突破，形成了一系列技术成果。相关成果技术先进、成熟度高，已获得重要应用。

“GaN 基微电子外延材料”技术是采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法，在蓝宝石、SiC 和 Si 衬底上外延高性能 GaN 基微电子材料，材料尺寸包括 2-8 英寸，方块电阻不均匀性优于 3%，室温二维电子气迁移率大于 2000cm2/Vs。“GaN 基射频功率器件”主要针对 5G 通信等新一代信息领域应用需求，在毫米波以及毫米波以下频段研制生产输出功率大、效率高、以及性价比高的系列射频功率器件与芯片产品。

“GaN 基电力电子器件”主要针对消费电子、新能源汽车等领域应用需求，在中压及中低压领域研制生产开关速度快、节能、耐高压系列 GaN 基电力电子器件与芯片产品。

项目团队采用自有专利技术，可根据应用与客户要求，开发生产：

（1）GaN 基微电子外延材料；

（2）GaN 基射频功率器件芯片；

（3）GaN 基电力电子器件芯片。

应用领域及市场前景：

GaN 材料是继 Si 和 GaAs 以后，近 20 年内迅速发展起来的新型宽带隙第三代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电压高、强场漂移速度大、耐高温、抗腐蚀、抗辐照等突出优点。基于宽禁带半导体 GaN 基微电子材料的射频功率器件和电力电子器件可广泛应用于新一代信息产业，也是核心电子器件领域发展与应用趋势，再加上我国在该领域拥有庞大的消费群体，所以市场容量巨大。

高效节能的 GaN 电力电子器件目标客户群主要为新能源汽车、高铁、智能电网、消费电子等目前国家大力发展的重大基础产业与制造业领域，其开关速度快、效率高，可广泛替代传统硅基半导体器件，市场需求巨大。据预测到 2023 年我国宽禁带半导体电力电子器件应用市场规模将达到 148 亿，复合年增长率接近 40%。

GaN射频电子器件的主要目标客户是 5G通信基站、5G 移动通信终端等相关产业群。新一代移动通信对核心射频电子器件的工作频率、输出功率和效率等提出了更高要求。基于 GaN 材料研制的射频电子器件，工作频率高、输出功率大、效率高、体积小，能更好的满足新一代移动通信领域的发展需求，也是行业应用与发展趋势，市场前景广阔。据预测到 2023 年我国 GaN 基射频电子器件市场规模有望达到 250 亿，其中新一代移动通讯基站建设与应用领域将成为主要需求来源。

知识产权情况：

项目团队在氮化镓微电子材料、器件和外延装备领域具有二十余年研发工作经验和雄厚的技术积累，技术成熟度高，已在该领域形成了比较完整的专利池，申请相关国家发明专利 60 项，已经获得授权国家发明专利38 项。

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SiC 衬底上外延生长高性能氮化镓基电子材料

成果单位：中国科学院半导体研究所

技术成熟度:实验室模型验证

所属领域：新材料

合作方式：合作开发

成果简介：

氮化镓（GaN）基电子材料是发展新一代 GaN 基微波功率器件和电力电子器件的基础，处于信息产业链的高端，是各国竞相占领的新一代战略高技术制高点，也是推动和发展我国新一代信息产业的重要机遇。

半导体所半导体照明研发中心主持国家重点研发计划项目专项“战略性先进电子材料 —面向下一代移动通信的 GaN 基射频器件关键技术及系统应用”的课题 1“ SiC 单晶制备及 GaN 外延生长”，已经攻克了大尺寸碳化硅和硅衬底上 GaN 基电子材料外延生长的关键科学技术问题，在高阻 GaN 外延材料、高迁移率 GaN 外延材料、高迁移率 AlGaN/GaN异质结结构材料等方面形成了系统的自主知识产权，设计并研制出了多种具有特色的AlGaN/GaN 异质结构电子材料。适于研制生产高频、大功率 GaN 基功率器件、单片集成电路和电力电子器件，可广泛应用于手机基站、航空航天、卫星通信、雷 达、智能电网、电动汽车、高速列车等领域，具有重大应用前景和市场潜力。

该技术是采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法，在碳化硅或者硅衬底上外延高性能 GaN 基电子材料，采用本技术研制的 GaN 基电子材料，生长速度快、材料质量好，重复性和均匀性高。采用该技术所研制的外延材料性能如下：

（1）外延材料方块电阻：300-400Ω/之间可调；

（2）方块电阻片内不均匀性：优于 3%；

（3）室温二维电子气迁移率：大 于2300cm2/Vs；

（4）外延材料尺寸：2 英寸或 4 英寸，并可扩展更大尺寸。

应用领域及市场前景：

基于 GaN 基电子材料的微波功率器件和电力电子器件可以广泛应用于移动通信基站等新一代信息产业领域。据美国 Cree 公司估计，如果在新一代无线通讯基站中以 GaN 基功率器件替代目前常用的 Si LDMOS 管使之成为无线基站射频功放的主流功率放大器件，可减少高达 20%的功耗，每年将节省60TWh 的电能。

知识产权情况：

本技术所涉及到的材料结构和制作方法已申请并获得授权的国家发明专利 4 项。

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紫外 LED 用 4 英寸低成本高品质 AlN 模版

成果单位：中国科学院半导体研究所

技术成熟度:批量生产

所属领域：新材料

合作方式：技术转让、合作开发

成果介绍：

高品质 AlN 模板层通常需要较高的生长温度（大多高于 1200℃），大多数工业级MOCVD 设备难以长时间维持高温生长高品质 AlN。因此，开拓溅射方法生长高质量 AlN的新技术路线，继而应用于紫外发光二极管（LED）研制，可大大减小外延片在 MOCVD设备中的生长温度、时间和复杂性，有望在大型工业化设备中制备。在 4 英寸蓝宝石衬底上实现高品质 AlN 材料可以解决当前国际AlN 材料仅仅生长在 2 英寸蓝宝石衬底或者AlN 单晶衬底上的问题，是相关器件产业化急需突破的关键。

本项目利用高温退火工艺处理蓝宝石衬底上溅射 AlN 薄膜，获得了高质量 4 英寸 AlN模版，XRD 摇摆曲线（002）和（102）半高全宽在样品中心处分别为 90 和 329 arcsec、在样品边缘处分别为 98 和 324 arcsec，样品中心和边缘处的粗糙度分别为 0.956 和 0.983 nm，达到与 MOCVD AlN 材料的晶体质量相媲美的水平。在该 4 英寸 AlN 模版上外延生长紫外LED全结构，实现280 nm的电致发光，发光强度与 2 英寸 MOCVD AlN 模板上紫外LED 的近似相等。

鉴于非极性和半极性 AlN 在 LED 器件中的潜在优势，该项目已开展在 2 英寸蓝宝石衬底上溅射非/半极性AlN薄膜的高温退火研究，获得初步结果：采用高温退火技术，非极 性 AlN (11-20) 面 的 XRD 沿 AlN [0001]/[1-100]晶向的半高宽从 1.737/1.817减小到 0.353/0.386，半极性 AlN (11-22)面的XRD沿AlN [11-23]/[1-100]晶向的半高宽从0.848/1.156减小到 0.186/0.243。退火后溅射 AlN 的结晶质量可与 MOCVD AlN 相比拟。

本项目创新性地采用高温退火溅射的AlN 材料模板层，后续结合的量产型 MOCVD以较低的生长温度完成深紫外 LED 全结构生长。

依托溅射的非极性和半极性 AlN 薄膜，可进一步制备高发光效率的 LED 器件。

反应磁控溅射具有易于控制、镀膜面积大、生长速度快、低温低成本的优点，在成本控制方面展示出了极大的优势。

应用领域及市场前景：

AlGaN 基紫外 LED 在杀菌消毒、化学分析、生物科技、光固化、非视距通讯等领域具有巨大市场价值和广阔应用前景，有调查指出其市场总额已高达上亿美元。

在杀菌消毒方面，紫外线可以破坏微生物的脱氧核糖核酸（DNA）或核糖核酸（RNA）分子结构，使细菌死亡或不能繁殖。

在光通信方面，紫外光通信主要是以大气散射和吸收为基础，具有系统抗干扰能力强、全天候工作、数据传输保密性高、可用于非视距通信等优点，是短距离、保密性常规通信的一种重要补充。与传统紫外光源如汞灯、准分子激光器等相比，紫外 LED 具有小巧便携、绿色环保、波长易调谐、功耗小等诸多优点，随着技术的不断进步，紫外 LED 的市场占有率在逐年上升，成为未来紫外光源的主流。

知识产权情况：

该技术拥有四项专利。

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新型硅碳负极的散式流化制备

成果单位：中国科学院过程工程研究所

技术成熟度:中试

所属领域：新材料

合作方式：双方协商

项目简介

近年来硅碳负极渗透率逐年增加,行业预测2035年将达到5000亿市场规模。当前制备工艺在逐级放大中出现流化问题难以克服的问题,一直未能实现单釜产能百公斤稳定出料。而我们的散式流化技术恰好解决了流化稳定性问题,目前已完成吨级实验验证。当前该产品单价50万元/吨,毛利率达50%,预计投产3年后营收可达到2亿元。

工艺/装备/产品先进性、实用性：

生产工艺原创新强,技术壁垒高,流程简单绿色,无废水、废渣排放。后续将基于该流化技术发展其他产品。

经济可行性：

目前为卖方市场,尚无公司规模出货,入局时间良好。

安全环保和工程化可行性：

无废水、废渣排放,非高压操作,需化工用地。

市场和产业化前景:

电动汽车、3C数码和低空飞行器的组成部分前景良好。

知识产权情况：

自有授权专利,独家专有技术。

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硅基太阳能电池前电极银浆料制备

成果单位：中国科学院过程工程研究所

所属领域：新材料

技术成熟度:中试

合作方式：双方协商

项目主要内容

目前市场太阳能电池主要有品硅电池和薄膜电池两种,晶硅电池占太阳能电池的市场份额 90% 以上,晶硅太阳能电池仍然在较长时间内占据太阳能电池市场主体。在晶硅太阳能电池中,前电极银浆料占太阳电池成本的 10-14% 左右。银浆料是影响太阳能电池光电转换效率的关键材料,我国硅太阳能电池前电极银浆料市场几乎全部被国外公司所垄断。2015 年我国前银浆料需求量约为1300吨，产值约为150亿元。

工艺/装备/产品先进性、实用性：

成功开发出太阳能光伏电池前电极银浆料在光伏企业生产线上进行测试,光电转化效率与进口浆料相当,个别指标优于进口浆料,已完成了10公斤级银浆料轧制的工业化放大实验。本项目生产的前银浆料成本低于进口浆料20-30%,极具价格优势和市场竞争力。

经济可行性：

太阳能电池行业从 2018 年开始进入快速发展阶段,各大太阳能厂商纷纷扩线增产。目前,各太阳能电池厂商均满负荷生产。虽然国内有几家浆料生产厂家,但其浆料的主体组成部分银粉(占太阳能电池前电极银浆料的80%以上)均依靠进口。本项目产品发展及应用前景广阔。

知识产权情况：

2项国家发明专利。

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