张波教授:始终走在中国半导体的赶超之路上 | 智慧产品圈

原创 2017-08-18
标签 半导体

相传在黄帝王朝时代,夸父族首领想要把太阳摘下,于是开始逐日,和太阳赛跑,在口渴喝干了黄河、渭水之后,在奔于大泽路途中渴死,手杖化作桃林,身躯化作夸父山。夸父逐日的故事,反映了中国古代先民战胜困难的愿望。

同样,我们行业里也有一位这样的人物,不同的是他不是和太阳赛跑,他是在半导体高新技术领域里,带领着一支“铁打的营盘流水的兵”、年年补充新鲜血液的年轻团队,在中国半导体的赶超之路上不停地奔跑,桃李满天下,在带出了一批批行业专才志士的同时,也在一步步把中国的半导体技术向世界一流水平靠近、超越。用他自己的话来讲,“我始终走在中国半导体的赶超之路上。”他就是电子科技大学微电子与固体电子学院的张波教授。

01 功率半导体:我们一直在赶超的路上

张波教授是国内首个国际功率半导体器件与功率集成电路学术会议(ISPSD)技术委员会(TPC)成员。他带领电子科技大学功率集成技术实验室(PITEL)主攻功率半导体技术研究,是国际上该领域最大的学术研究团队。

张波教授在最近一次采访中,与记者分享了他对当前半导体技术发展的认识和思考。他认为,现代历史上的历次半导体技术革命,中国均是“迟到”的学习者,然而面对Moore定律即将失效和新思维方式带来的冲击,半导体行业即将迎来一次新的革命。

张波教授认为,国家在《集成电路发展纲要》里写明的2020年集成电路产业目标,这些目标国外已经达到了,但我们还有不小的差距,这个差距就是我们追赶的机会。我们中芯国际目前的制程量产水平还是28nm,而台基电已经在生产16nm、10nm、 7nm产品了。虽然我们国家集成电路发展之路走得越来越快,但实际上由于这个行业发展得太迅速,资金投入太大,所以我们和国际先进水平还是有几代的差距。

此外,从全半导体产业链来看,我们在设备和材料上差距还很大,在大硅片材料上我们还在进行零的突破,光刻机差的不是一代两代的问题,我们的设备虽然有一些已经进入国际大厂,但是整体来讲跟国外还存在较大的差距,所以还需要国家政策扶持。

总体来说,我们在设计和封装上相对差距小一些,在国家科技重大专项支持下,国内的封装技术能排进全球前五名。但是在设备、工艺制造和硅材料上面差距较大,作为半导体从业者,我们还有很长的路要走。

在“十二五”规划中,国家明确将半导体行业列为战略性产业,并投入了大量资金。最近各地政府也在筹集大量资金加快投入半导体产业的建设,对于这些数以亿计的大量投资能否取得实质性成果,业内外存在很多质疑,担心重蹈前些年国家对光伏产业大力扶持却并没有达到预期目标的覆辙。

对此,张波教授给出了自己的看法。他告诉记者,国家以前对光伏行业和房地产的扶持与经济规律有些违背,但是对半导体行业而言,忧虑是正常的,但扶持是必须的。理由是:

第一,对中国这样的制造大国而言,半导体元器件是最基础的。但产品体系中最核心的部分并没有掌握在我们自己手里,我们只是对外加工。如果这一块我们没有发展起来,那么对中国以后的发展是极其不利的。

第二,就目前而言,光伏产品从国内需求看是供大于求,产能过剩,产品主要是用于出口。但中国在半导体上却有很大的需求,而且我们自己的半导体产业还不足以来维持内需,80%的半导体还是要靠国外进口。大力发展半导体产业,对我们国家来讲,不论是国防还是经济都是很必要的。

第三,任何投资都是有风险的,所以这样的担忧还是有道理的。半导体行业是全球高度竞争的产业,国内还存在着市场技术的问题,核心技术有没有、产品在市场上有无竞争力?这些问题都在制约着国内半导体行业的发展。但是半导体是一个国家整体实力的体现,作为国内的半导体从业者,我们一定要明白,国家投资是正确的,但同时要有一定的理性,不要头脑发热。

02 功率半导体:正面临最好的发展契机

中国的半导体产业,从来没有出现过像现在这样的大好发展形势。国家投入上千亿的发展基金,许多地方政府投资也在上百亿规模,应该说我们的半导体产业正面临着一个最好的发展契机,也是我们迎头赶超世界先进国家的大好机遇。

在这个大的历史机遇面前,如何重点发展功率半导体这一块业务?张波教授认为,功率半导体在半导体市场的份额虽然只有百分之十几左右,但它和我们的经济发展密切相关,特别是国家倡导的“绿色经济”、节能减排,以及新能源领域,功率半导体的作用都是“非同小可、无可替代”的。最近我们在MEMS、传感器、模拟电路和功率半导体这些方面都取得了很大的突破,特别是一些新兴市场的出现,例如轨道交通、智能电网、电动汽车和高铁等,都给功率半导体带来了最好的发展良机。

如何看待GaN和SiC等宽禁带新材料对传统硅基材料的影响?张波教授认为,国内新材料行业发展非常之快,我们在宽禁带领域和国际上的差距比硅要小很多,因为大家都处在起跑线上,还未进入大规模生产。在中国做出样品是很容易的,但是在产业化上我们还需要努力。现在,国家和企业都认识到了宽禁带半导体的重要性,所以这一块上我们和国外的差距是最小的,甚至我们在某些方面已经达到了国际水平,所以很有发展前途。最近张波教授带领的团队在GaN新型器件上取得重大突破,成功研制出国内首款GaN功率器件栅驱动芯片,尽管这是一个实验室取得的成果,距离产业化还要有很大的步子要走,但这无疑给我们带来了信心,我们完全可以依靠自己的力量进行新技术创新。

目前的功率半导体市场,硅基半导体仍是主流,并且在相当长的一段时间内也会占据市场的主要份额。国际上预测到2020年,宽禁带功率半导体最多能占到功率半导体市场份额的5%。虽然现在宽禁带半导体增长速度非常之快,但是才刚刚起步,需要走的路还很长。这个时候研究人员大部分在高校和企业的研发单位,所以这是我们的责任,我们要做的就是研究新的产业或产品方向,给未来产业化打下坚实的基础。

张波教授结合自身的科研教学体会,向我们描述了他率领的团队的发展战略:把握行业机遇,将“大部队”集中在硅器件研发,做好产学研合作,推进国内功率半导体行业发展;同时要紧跟国际前沿,结合自身特点,在宽禁带功率半导体领域做出特色。

03 功率半导体:弱电与强电之间“互通”的桥梁

功率半导体器件是进行电能 (功率)处理的半导体产品,相对于数字或模拟芯片,它更接近于模拟高电压(电流)芯片,当然现在数字功率器件产品也屡有上市,但还是模拟集成电路占主流。可以这么说,它是弱电与强电之间“互通”的桥梁。

张波教授认为,在可预见的将来,电能将一直是人类消耗的最大能量。从手机、电视、洗衣机,到高速列车、轨道交通、电动汽车,均离不开电能。无论是水电、核电、火电、还是风电,甚至各种电池提供的化学电能,75%以上的电能应用需要由功率半导体器件进行功率变换以后,才能供设备使用。

张波教授近照

现在人们的衣食住行均离不开功率半导体技术,功率半导体技术的目的是使电能更高效、更节能、更环保,并给使用者提供更多方便。比如通过变频技术调速,空调器可在节能50-70%的同时,做到更环保、更安静、人的体感更舒服。人们希望便携电子产品一次充电之后有更长的使用时间,在电池没有革命性进步之前,需要依靠更高性能的功率半导体器件进行高效电源管理。正是由于功率半导体能将“粗电”变为“精电”,因此它是节能减排最核心的技术。

近年来,在市场需求的牵引下,我国功率半导体产业展现出蓬勃发展的新局面:国内有众多的6寸线、8寸线涉足功率半导体器件的生产,深圳华为、中车、广东美的、国家电网等国内骨干整机(系统)企业研发或投资以IGBT为代表的先进功率半导体器件,成果巨大;一大批功率半导体领域海外留学人员回国创业,创办独资或合资公司,这批人在国外有多年的研发经验,年轻大胆、充满了活力和创新精神,给国内功率半导体产业注入了一股新鲜活力。

张波教授表示,正是有了以上业界同行的共同努力,以及包括电子科技大学为代表的大学和科研院所专业团队的共同努力,国内功率半导体行业已呈崛起之势,中国已成为世界功率半导体产业的新贵,全球的行业巨头开始尊重中国。

04 电子科大:功率半导体人才的摇篮

张波教授所领导的团队在功率半导体领域已发表SCI收录论文100余篇、EI收录论文300余篇,获中美发明专利授权80余项,培养出博士30余名、硕士400余名。人才是产业发展的核心支撑,电子科技大学是我国IC产业人才培养、人才输出的重镇,张波教授经常在课堂上告诉他的学生:“我们在守住专业这个根本的同时,也要加强组织、管理、系统、金融方面的学习,希望从我们学校走出的IC人才中涌现更多的行业领军人物。”

谈及电子科技大学张波教授所领导的微固学院功率集成技术实验室和人才培养和储备战略,张波教授认为:电子科技大学现在是公认的在全球培养功率半导体人才最多的高校,并且学术水平和产品研发水平已经得到业界认可。功率半导体特别是以IGBT、功率MOS为代表的硅基功率半导体已是高度成熟,并且实现了产业化,这个方向现在主要是由一些国外的大公司在推动,国外高校在人才培养上主要是以宽禁带等新的热点来进行培养。但在国内,硅基功率半导体器件还主要由国外产品占据市场,这对国内的企业和高校是一个很大机遇。结合我们几十年的研发基础,我们在硅基功率半导体人才培养上有得天独厚的优势。

张波教授告诉我们:“我今年春节到美国几个高校访问,国外有博士生问我,张教授你为什么还能拿到硅器件的Founding,国外政府已经很少有硅的Founding了,因为国外硅基半导体大部分都是企业在研发。但是对国内而言,无论是政府还是企业,都对硅功率半导体的研发有着迫切的需要,我们电子科大在这块有着深厚的积累。一方面我们大力培养人才,另一方面我们做一些产学研的合作,在产学研合作中间把人才培养得更好,这些方面的优势是国外现在没有的,每年我们团队都会向社会输送几十名功率半导体行业的高质量人才。”

对于如何看到人才培养和人才引进, 张波教授认为: 人才培养是最重要的,人才的引进是为了更好得培养人才。高校的本质就是为了培养人才,搞科研的最终目的也是为了人才培养。老师不搞科研你怎么能指导学生科研,老师的学术水平不行,怎么培养学生?高水平的学校不是高职(高级职业学院),研究型高校是要培养高水平的人才,对老师的要求必须得是精英中的精英。人才培养是根本,学校引进人才是为了提升学校的国际化水平,提升师资水平,最终也是为了培养高水平人才。当然我们也不能只提引进人才,对一个学校最重要的是“内培外引”的结合,效果最为重要。

05 最新技术成果:国内首款GaN功率器件栅驱动芯片

最近,张波率领的功率集成技术实验室针研发出了国内首款GaN功率器件栅驱动芯片,取得国内首创技术成果。硅基GaN功率器件相对于硅器件,具有更高的转换效率、功率密度和开关频率,在未来高频、大电流的DC-DC变换器中独具优势(如数据中心供电)。高速栅驱动芯片是针对于GaN功率器件特殊的物理特性,必须定制化设计以满足其配对要求,以提高系统的效率和可靠性。

张波团队针对增强型硅基GaN功率器件,基于国内高压工艺平台,研发出国内首款半桥式GaN功率器件栅驱动芯片。该驱动芯片具有分离充放电路径功能,充放电峰值电流分别为1.2A和5A,单通道延迟典型值25ns,典型延迟匹配4ns,开关频率可达MHz以上;芯片具有高压钳位功能,防止死区时间内对自举电容过度充电。

半桥式GaN功率器件栅驱动芯片版图与仿真波形

电子科技大学功率集成技术实验室(Power Integrated Technology Lab)隶属于电子科技大学微电子与固体电子学院,电子科技大学功率集成技术实验室长期致力于功率半导体科学和技术研究,研究内容涵盖功率半导体分立器件、可集成功率半导体器件和功率集成电路(电源管理集成电路)。在高压栅驱动芯片领域,针对功率高压MOSFET和IGBT应用,与国内企业合作建立了600V和1200V BCD多模集成工艺平台,研制出系列600V和1200V高压半桥栅驱动芯片和三相栅驱动芯片,部分产品已进入市场。

06 结语

文至此想起一首老歌,歌词是“我们走在大路上,意气风发斗志昂扬……“。今天的半导体行业,有多少像张波教授这样的“引领者”,在带领我们的整体产业一步一步前行; 有多少这种为中国半导体产业发展“在赶超路上”的教授、专家,在和广大的半导体从业者一起拼搏奋斗,使我们的队伍不断发展壮大。有了他们的“在路上”,中国半导体产业才能越做越大,越做越强。衷心祝愿张波教授和他的团队:在中国半导体产业的赶超之路上,心之所向,砥砺前行,创造更多的辉煌。

张波教授简介

张波教授, 电子科技大学集成电路研究中心主任、微电子与固体电子学院副院长,国家科技重大专项专家,国家有突出贡献中青年专家,IEEE 电子器件协会(EDS) 功率器件技术委员会委员。长期致力于功率半导体技术研究,在功率半导体领域发表SCI收录论文100余篇、EI收录论文300余篇,论文H指数24,i10指数86,获中美发明专利授权80余项,牵头获得2010年国家科技进步二等奖等省部级以上科研奖励11项。领导的功率集成技术实验室已培养出博士30余名、硕士400余名,为境内外企业开发了百余种(款)功率半导体领域新工艺和新产品,实现销售数亿只。张波教授是国内首个国际功率半导体器件与功率集成电路学术会议(ISPSD)技术委员会(TPC)成员。目前带领电子科技大学功率集成技术实验室(PITEL)主攻功率半导体技术研究,是国际上该领域最大的学术研究团队。电子科技大学功率集成技术实验室(PITEL)是“电子薄膜与集成器件国家重点实验室”的重要组成部分。实验室专注于功率半导体技术研究,开展了功率半导体分立器件(包括高性能功率二极管、双极型功率晶体管、功率MOSFET、IGBT到大功率RF LDMOS等,涉及硅基功率器件、SiC功率器件和硅基GaN功率器件)、可集成功率半导体器件新结构(包括硅基、SOI基和GaN基)、高低压工艺集成、电源管理集成电路、功率集成电路以及面向系统芯片的复杂负载下高效功率转换研发工作。

(本文部分内容参考了电子科技大学内网有关报道,如有疑问请联系作者)

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韩继国

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