见微知著 打造半导体材料精准研究“利器”

记“纳尺度多场耦合效应的原位表征系统”研制历程

每个人都想拥有“充电五分钟，通话两小时”的理想手机。而这个简单的“理想”却代表着对电子产品中半导体材料和器件性能的极致追求。手机里芯片快速数据运算过程和电池能量存储过程都发生在只有头发丝直径万分之一的纳米尺度下，而这些过程会影响到产品的工作稳定性和服役寿命。

研制高效绿色能源器件和低功耗信息功能器件，亟待从纳米尺度深入研究和理解材料结构与器件性能之间的构效关系，阐明纳尺度多场耦合条件下材料的性能退化与损伤机理、器件的功能退化与失效机理。

近年来，围绕这一前沿基础科学问题，北京科技大学材料科学与工程学院教授、中国科学院院士张跃团队在国家重大科研仪器研制项目（自由申请）的支持下，开展了“纳尺度多场耦合效应的原位表征系统”研制工作。

日前，项目顺利通过结题验收，该仪器的成功研制，将实现对半导体材料在服役过程中各项指标的原位监测。研制过程中，科学家率先实现了在超高真空、极低温、多波段光谱入射采集、纳牛级应力精确加载等条件下，材料微观原子结构、界面能带结构、器件电学性能的跨尺度原位表征，填补了纳尺度多场耦合原位表征技术的空白。

张跃院士（中）、张铮教授（左）与项目组成员在工作中。（研究团队供图）

以国家需求为牵引

在材料科学领域，材料的服役行为研究并不陌生，包括澄清服役环境中材料的损伤机理、认识其损伤动力学过程、评价工程结构的安全性与服役寿命、发展延长寿命的技术等。

过去几十年来，研究者已经在金属材料体系中建立起成熟的材料服役研究和表征方法，监测其服役过程中的各项指标，从而对材料的服役可靠性进行精准判断。

但是，针对半导体材料服役行为的研究却面临较大挑战。据研究人员介绍，一方面，随着芯片集成度提升，半导体器件中材料越来越小，如今单个晶体管核心结构单元的尺寸小于10纳米；另一方面，随着可穿戴设备和便携设备的发展，半导体材料与器件的工作环境越来越复杂，冷热交替、潮湿、弯折与柔性等环境都对材料和器件有了更加严苛的要求。他们意识到，建立能在多场耦合服役条件下针对低维半导体材料的结构和性能演变规律进行原位研究的方法与技术手段，对研制下一代半导体材料与器件尤为重要。

与此同时，国家未来发展对于下一代半导体材料与器件也有重大现实需求。在这样的背景下，研究团队决定自主研制一台新仪器，以在纳尺度多场耦合效应下进行半导体材料和器件性能调控与服役行为原位科学研究。

2016年，在国家自然科学基金资助下，国家重大科研仪器研制项目（自由申请）“纳尺度多场耦合效应的原位表征系统”正式立项。

研究人员向《中国科学报》介绍，研制这一新仪器的难点在于，通过多物理场耦合模拟半导体材料和器件的实际工作条件，从纳尺度原位揭示半导体材料与器件界面载流子输运行为与调控规律。同时，通过材料结构和界面的精细设计，提高半导体器件性能，设计构筑低功耗、高性能的半导体器件，研究建立纳尺度下半导体材料与器件的服役行为研究方法与评价标准。

“研以致用”的实践精神

项目执行的5年中，研究团队坚持设计、制造、研究、验证协同的全链条研究思想，直面建立微纳尺度结构与宏观器件性能之间的关联性这一重大挑战，陆续攻克和解决了多项关键科学和技术难题。

据了解，科研团队始终坚持“研以致用”的工作作风，以应用为导向开展科学研究。

“材料研究不能仅仅停留在‘测一条曲线’上，坚持往前多想一步、争取多做一步，是我们团队多年养成的研究习惯。”项目团队成员、北京科技大学材料科学与工程学院教授廖庆亮介绍说。

正是在“多一步”思想的指引下，研究团队周密布局、仔细论证、充分验证，把每一分钱都花在刀刃上。项目启动之初，研究团队就组建了由业内顶尖专家组成的咨询组，严格把关项目进度和研制方案。

同时，他们走访了30多家国内外生产表征仪器设备的企业和机构，寻求从科学研究到实际应用的经验。同时，充分发挥现有研究平台的作用，遵循模块化设计理念，分模块、分功能逐一验证，陆续研制了多台套功能验证装置，逐个测试了装置和功能的可行性、验证方案的合理性，最终经过多轮论证，形成了系统的研究方案。

具体而言，根据这套设备的目标，研究团队设计了超高真空低温探针、共聚焦激光耦合、设备监控与信号测量等三个子系统。

其中，“超高真空多功能低温探针”“多通道样品台和多功能探针联动耦合系统”“下沉式杜瓦和针阀制冷系统”“三段调节的共聚焦耦合光路”等多项国际领先的“黑科技”，把各项指标做到了极限。

“设备的真空水平实现了10-8Pa的超高真空，温度达到4K的极低温环境，可以模拟太空中地月之间的真空和温度水平，为开展空天探测用半导体材料与器件研究提供了良好的研究平台。”项目团队成员、北京科技大学材料科学与工程学院教授张铮介绍。

此外，该团队还格外注重设备研制的通用性。据了解，这套系统能够广泛应用于能源、电子、传感等领域的功能器件在多场耦合条件下关键结构单元的演变规律和性能调控方法的研究。

用“工匠精神”死磕

“要做世界领先、功能完备、性能最优先的设备，而不仅仅是完成指标要求。”项目启动之初，团队就立下了“军令状”。

为了让先进的科研仪器能够真正用起来，研究团队除了要提出原创的科学思想外，还要直面许多工程和技术难题。为此，他们在可借鉴经验较少的情况下，以兢兢业业的“工匠精神”“死磕”这些难题。

项目团队成员、北京科技大学材料科学与工程学院教授康卓介绍，要表征电子输运行为如何受到外加物理场耦合的影响，必须同时布局力、热、光、电等多个外加物理场的发生装置及相应的表征与测量装置。而在狭小空间中，多个装置互相干扰问题、光路与探针的空间分配问题、超高真空中装置稳定与兼容问题等是最大挑战。为此，项目组通过设计下沉式的制冷装置、多通道样品台和多功能探针系统，巧妙地解决了多路信号同时采集的问题。

摆在项目组面前的另一个重大挑战是光路的耦合问题。在对材料进行光学表征时，需要将一束激光打到材料表面，让其发生变化，然后形成反射光。从科学原理上，要求这两束光走一条严格准直的光路，最终从激光源发出、经样品反射、到达探测器上，才能实现表征。

“对于我们的设备而言，在被检测材料所处的环境中，一束激光需要穿过10个反射镜组成的光路调节镜组、1个直径为1.5厘米的石英玻璃窗口、3个垂直排列的直径小于1厘米的屏蔽舱顶盖，最后准确抵达直径为0.5厘米的物镜后焦面光心，整个光路距离将近1米。在这个距离实现两束激光的准直，就好像一个神枪手在打靶，光路每偏转0.1度都会导致入射和反射光出现巨大偏差。”康卓介绍说。

为了解决这一问题，项目组前后设计了十余套解决方案，从全手动目视调节到成像辅助调节，设计了水平自由度的精确位置控制平台，建立了分步调节方法，最终完美解决了光路耦合的重大问题。

2020年项目接近尾声，突遇新冠疫情袭来，研制进度受到了严重影响。为了赶工期，研究团队的老师和学生们加班加点。“早上一大早就来跟设备‘报到’，晚上深更半夜才回家睡个觉，基本上日夜都和设备呆在一起。”张铮和同事开玩笑，“这台设备就是我的‘孩子’。”

在研究团队的共同努力下，该设备最终按期完成任务指标要求。在2021年5月国家自然科学基金委工程与材料科学部组织的结题验收中，专家组一致认为该项目“全面完成计划，研究工作取得突出进展”，综合评价为“优秀”。

面向未来，研究团队表示，目前的设备仅是1.0版本，在调试和使用的过程中，设备从系统、软件、硬件等多方面将不断简化、优化，经过几年时间的调试，有望达到成果转化需求。

他们期待，该设备能为研制低功耗晶体管、高效率光电转换器件、自驱动可穿戴人工智能传感器件等提供技术支撑。

2022年11月7-10日， 一年一度行业盛会，第八届国际第三代半导体论坛（IFWS 2022）&第十九届中国国际半导体照明论坛（ 2022）将于苏州国际博览中心召开。其中，化合物半导体激光器技术分会作为重要分论坛，目前已经确认最新报告嘉宾正式出炉！

半导体激光器是以半导体材料为增益介质的激光器，依靠半导体能带间的跃迁发光，通常以天然解理面为谐振腔。因此其具有波长覆盖面广、体积小、结构稳定、抗辐射能力强、泵浦方式多样、成品率高、可靠性好、易高速调制等优势。新物理、新概念以及新技术与半导体激光器的融合，为其发展注入了新鲜的血液，通过与光学、电磁学、微电子学、拓扑学以及量子力学的交叉渗透，催生出了许多新体制激光器，它们或者有大规模的集成应用前景，或者有优秀的光束和光谱质量，或者有更高更稳定的输出功率，或者有更小的体积和突破衍射极限的光斑，或者便于调制和倍频，或者具有让人兴奋的微小功耗。其中，半导体激光器在光纤通信领域的发展潜力巨大。得益于半导体激光器成本低、功耗低的优势，目前其已在光纤通信网络领域被广泛地应用。

作为IFWS&重要分会，特邀中科院半导体所研究员曾一平，厦门大学电子科学与技术学院副院长、教授张保平，老鹰半导体副总裁、首席科学家莫庆伟，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员刘建平，云南锗业公司首席科学家、中科院半导体所研究员惠峰等业内知名专家共同召集。

目前已经确认有来自：波兰高压物理研究所、日本名城大学、苏州长光华芯光电技术有限公司、 中电科十三所、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、河南仕佳光子科技股份有限公司等知名企业专家代表共同参与，就化合物半导体激光器技术分享主题报告。

目前初步确认报告嘉宾如下：( 仍有部分嘉宾报告正在确认中)

·New based on blue laser : SWOT .

Mike --波兰高压物理研究所研究员

· and of GaN-based - -

--日本名城大学教授

·激光雷达用大功率 GaAs VCSEL 激光芯片

王 俊--苏州长光华芯光电技术有限公司副董事长、首席技术官

·GaAs VCSEL 先进封装技术进展及应用

林胜--宁波升谱光电股份有限公司副总经理

·激光雷达用的磷化铟半导体激光器

黄永光--河南仕佳光子科技股份有限公司有源产品技术总监,中科院半导体所研究员

·氮化镓基激光器和超辐射管研究进展

刘建平--中科院苏州纳米所纳米器件研究部 研究员

·高强度应变多量子阱磷化铟激光二极管的应变相关退化研究

房玉龙--中电科十三所基础研究部主任

·GaN基微腔激光器的制备

梅洋--厦门大学助理教授

【部分嘉宾简介】

张保平，厦门大学电子科学与技术学院副院长、教授。主要在理化学研究所和夏普公司进行半导体材料的外延生长、检测与器件研制。2006年加入厦门大学，任闽江学者特聘教授至今。主持国家863项目，国家重点研发计划项目，基金委重点和面上项目，科工局基础科学挑战专题等。目前主要进行第三代半导体GaN材料与器件研究，研制了高品质GaN谐振腔，率领团队在大陆唯一报道了GaN半导体VCSEL，在国际上首次实现绿光波段和UVC波段VCSEL，以及InGaN量子阱激子极化激元激射。2014~2021年连续入选爱思唯尔（）社发布的中国高被引学者榜单。任“ and ”执行编辑，“Nano-Micro ”《发光学报》《人工晶体学报》等编委。

王俊，苏州长光华芯光电技术有限公司副董事长、首席技术官。王俊博士有二十多年的高功率半导体激光器行业经验，是全球高功率半导体激光器材料生长和器件认知专家。1989年，王俊从中国科学院硕士毕业后，自费留学加拿大攻读光电子工程专业博士，后供职于美国顶尖公司研发半导体激光器。机缘巧合下，王俊了解到国内同一领域的状况后，他希望借助自己的技术力量，改变祖国激光领域“有器无芯”的历史。他毅然放弃外国国籍回国效力，加入长光华芯，短短几年，王俊带领团队开展高功率半导体激光器研发及产业化工作，实现国家战略高技术及民用领域的技术突破，解决我国高功率半导体激光器“有器无芯”的局面，打破国外的技术封锁。王俊先后获国家重大人才工程、江苏省“双创团队”领军人才、苏州时代新人等荣誉。2021年获得吴文俊人工智能科学技术奖二等奖，2022年获得江苏省科学技术一等奖。

莫庆伟，老鹰半导体副总裁、首席科学家。长期致力于半导体发光材料与芯片器件的研究和产业化近20年。现任浙江老鹰半导体技术有限公司首席科学家，带领团队实现大功率光电子器件技术的突破，荣获 Frost & Award for 、 Award for 等奖项。

Mike ，波兰高压物理研究所研究员，波兰高压物理研究所教授，半导体微结构实验室主任。 副总裁，该公司是为 Tech制造激光二极管的衍生公司。波兰水晶生长学会主席。欧洲水晶生长网络执行委员会成员。发表了约450篇关于半导体的论文，被引用约 7500 次（H 43）。

，日本名城大学教授，1999年获得了明珠大学的博士学位。在为一些公司工作之后，他于2010年再次加入明珠大学，担任副教授，2015年担任教授。他一直参与III-V化合物半导体的外延生长以及LED、隧道结和VCSEL的设计/制造。

林胜，高级工程师，宁波升谱光电股份有限公司副总经理。1996年毕业于浙江大学光仪专业，多年来一直专注于LED封装及应用产品的技术开发和制造。作为项目负责人，承担多项国家863计划半导体照明工程课题，申请和获得20多项专利技术，多次荣获浙江省和宁波市科技进步奖。

黄永光，博士，中国科学院半导体研究所副研究员，河南仕佳光子科技股份有限公司有源产品技术总监，中国科学院大学研究生导师。目前主要从事半导体激光器研究与产品化工作。参与完成973课题1项、中科院研发项目1项，作为负责人主持了国家自然科学基金、北京市自然科学基金和科技部863项目子课题等各1项，近年来发表论文10余篇，目前主要关注高速半导体激光器芯片的研发与应用。主要研究领域方向：1）通信技术中的高速半导体激光器及其产业化技术研究；2）超短脉冲微细加工技术及其在新型光电器件中的应用。

刘建平，中科院苏州纳米所研究员，博士生导师。一直从事GaN基材料与器件和MOCVD 技术研究，近年来致力于GaN基激光器研究。主持国家重点研发计划课题、国家基金委重点项目，研制出国内第一支室温连续工作的GaN绿光激光器和大功率蓝光激光器。在Light: Sci & Appl.、 、Appl. Phys. Lett.、 等期刊发表SCI收录论文100余篇。担任国际电工委员会激光显示专家，国家标准化管理委员会激光分委会委员，发光学报、人工晶体学报编委。

房玉龙，中国电子科技集团公司第十三研究所研究员。一直深耕SiC、GaN、GaAs、InP等化合物半导体材料领域，带领团队在射频、光电子、电力电子材料等方向突破多项关键技术，多项成果处于国际领先水平，有力支撑了多项重大装备发展和5G、电力电子、光通讯等民品产业化。先后荣获省部级科技进步奖、中国电科杰出青年、三代半联盟卓越青年等荣誉。

梅洋，厦门大学助理教授，2014年本科毕业于中国地质大学（武汉）电子信息工程专业，2020年博士毕业于厦门大学电子科学与技术专业，2017年至2019年赴东京大学联合培养。9月加盟厦门大学微电子与集成电路系。主要从事半导体激光器、面发射激光器、GaN基发光器件、激子极化激元器件等方面研究。其使用InGaN量子点有源区制备出了世界上首支绿光面发射激光器，发光波长覆盖“green gap”。研究生期间，曾获博士研究生国家奖学金、唐立新奖学金、光华奖学金。近几年，以第一作者在Light： & 、 、 and 等国际高水平期刊上发表多篇学术论文。

（备注：后续会有新增，请以最终日程为准。）

附：论坛信息

会议时间：2022年11月7日-10日

会议地点：中国 - 苏州 - 苏州国际博览中心G馆

程序委员会

主席：

张 荣——厦门大学党委书记、教授

联合主席：

刘 明——中科院院士、复旦大学芯片与系统前沿技术研究院院长、中科院微电子研究所研究员

顾 瑛——中科院院士、解放军总医院教授

江风益——中科院院士、南昌大学副校长、教授

李晋闽——中国科学院特聘研究员

张国义——北京大学东莞光电研究院常务副院长、教授

沈 波——北京大学理学部副主任、教授

唐景庭——中国电子科技集团公司第二研究所所长

徐 科——江苏第三代半导体研究院院长、中科院苏州纳米所副所长、研究员

邱宇峰——厦门大学讲座教授、全球能源互联网研究院原院长

盛 况——浙江大学电气工程学院院长、教授

张 波——电子科技大学教授

陈 敬——香港科技大学教授

徐现刚——山东大学新一代半导体材料研究院院长、教授

吴伟东——加拿大多伦多大学教授

张国旗——荷兰工程院院士、荷兰代尔夫特理工大学教授

——首席执行官兼首席技术官、美国北卡罗莱纳州立大学教授

主题论坛召集人（按姓氏拼音排列）：

F1-碳化硅功率电子材料与器件

主题分论坛主席：

盛 况——浙江大学电气工程学院院长、教授

唐景庭——中国电子科技集团公司第二研究所所长

a.碳化硅功率电子材料与器件

召集人：

盛 况——浙江大学电气工程学院院长、教授

柏 松——中国电子科技集团公司第五十五研究所研究员

张清纯——复旦大学上海碳化硅功率器件工程技术研究中心主任

邱宇峰——厦门大学讲座教授、全球能源互联网研究院原院长

张玉明——西安电子科技大学微电子学院院长、教授

王德君——大连理工大学教授

袁 俊——九峰山实验室功率器件负责人

b.芯片制造工艺及装备

召集人：

唐景庭——中国电子科技集团公司第二研究所所长

王志越——中电科装备集团有限公司首席技术官

杜志游——中微半导体设备(上海)有限公司高级副总裁

吴 军——北方华创科技集团股份有限公司副总裁，首席科学家

F2-氮化物半导体电子材料与器件

主题分论坛主席：

张 波——电子科技大学教授

吴伟东——加拿大多伦多大学教授

陈堂胜——中国电子科技集团公司第五十五研究所首席科学家

冯志红——中电科第十三所首席科学家、专用集成电路国家级重点实验室副主任

a.氮化镓功率电子材料与器件

召集人：

张 波——电子科技大学教授

吴伟东——加拿大多伦多大学教授

刘 扬——中山大学教授

孙 钱——中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员

张进成——西安电子科技大学副校长、教授

吴毅锋——珠海镓未来科技有限公司总裁

梁辉南——润新微电子(大连)有限公司总经理

王茂俊——北京大学信息科学技术学院副教授

b.射频电子材料与器件

召集人：

陈堂胜——中国电子科技集团公司第五十五研究所首席科学家

蔡树军——中国电子科技集团公司第五十八研究所所长

张乃千——苏州能讯高能半导体有限公司董事长

张 韵——中国科学院半导体研究所副所长、研究员

敖金平——日本德岛大学教授、江南大学教授

于洪宇——南方科技大学深港微电子学院院长、教授

冯志红——中电科第十三所首席科学家、专用集成电路国家级重点实验室副主任

刘建利——中兴通讯股份有限公司无线射频总工

F3-功率电子应用

主题分论坛主席：

刘 胜——武汉大学动力与机械学院院长、教授

赵丽霞——天津工业大学电气工程学院常务副院长、教授

a.功率模块封装及可靠性

召集人：

刘 胜——武汉大学动力与机械学院院长、教授

赵丽霞——天津工业大学电气工程学院常务副院长、教授

李世玮——香港科技大学教授

陆国权——美国弗吉尼亚大学教授

罗小兵——华中科技大学能源与动力工程学院院长、教授

杨道国——桂林电子科技大学教授

王来利——西安交通大学教授

樊嘉杰——复旦大学青年研究员

姜 克——安世半导体全球研发副总裁、I&M事业部总经理

F4-衬底材料与装备

主题分论坛主席：

沈 波——北京大学理学部副主任、教授

徐现刚——山东大学新一代半导体材料研究院院长、教授

陶绪堂——山东大学讲席教授

唐景庭——中国电子科技集团公司第二研究所所长

a.碳化硅衬底材料生长与加工

召集人

徐现刚——山东大学新一代半导体材料研究院院长、教授

陈小龙——中国科学院物理研究所功能晶体研究与应用中心主任、研究员

孙国胜——中科院半导体研究所研究员

冯 淦——瀚天天成电子科技（厦门）有限公司总经理

b.氮化物衬底材料生长与同质外延

召集人：

沈 波——北京大学理学部副主任、教授

徐 科—— 江苏第三代半导体研究院院长、中科院苏州纳米所副所长、研究员

黎大兵——中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员

毕文刚——江苏第三代半导体研究院副院长

杨 敏——江苏南大光电材料股份有限公司首席技术官

c.超宽禁带半导体材料与器件

召集人:

陶绪堂——山东大学讲席教授

龙世兵——中国科学技术大学微电子学院执行院长、教授

张进成——西安电子科技大学副校长、教授

单崇新——郑州大学学术副校长、教授

王新强——北京大学教授、北大东莞光电研究院院长

王宏兴——西安交通大学教授

叶建东——南京大学教授

刘玉怀——郑州大学教授

韩根全——西安电子科技大学教授

d.生长、加工装备与量测设备

召集人：

唐景庭——中国电子科技集团公司第二研究所所长

王志越——中电科装备集团有限公司首席技术官

杜志游——中微半导体设备(上海)有限公司高级副总裁

吴 军——北方华创科技集团股份有限公司副总裁，首席科学家

F5-半导体照明与光电融合技术

主题分论坛主席：

江风益——中科院院士、南昌大学副校长、教授

曾一平——中科院半导体所研究员

a.全光谱LED材料、芯片、封装及可靠性

召集人：

江风益——中科院院士、南昌大学副校长、教授

刘国旭——北京易美新创科技有限公司联合创始人兼CTO

云 峰——西安交通大学教授

罗小兵——华中科技大学能源与动力工程学院院长、教授

伊晓燕——中国科学院半导体研究所研究员

郭伟玲——北京工业大学教授

汪 莱——清华大学电子工程系副教授、信息光电子研究所所长

汪炼成——中南大学教授

张建立——南昌大学研究员

b.半导体激光器

召集人：

曾一平——中科院半导体所研究员

张保平——厦门大学电子科学与技术学院副院长、教授

莫庆伟——老鹰半导体副总裁、首席科学家

刘建平——中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员

惠 峰——云南锗业公司首席科学家、中科院半导体所研究员

F6-超越照明创新应用

主题分论坛主席：

罗 明——浙江大学光电系教授

瞿 佳——温州医科大学附属眼光医院院长、教授

顾 瑛——中科院院士、解放军总医院教授

迟 楠——复旦大学信息科学与工程学院院长、教授

杨其长——国际欧亚科学院院士、中国农业科学院都市农业研究所副所长、研究员

刘 鹰——浙江大学生物系统工程与食品科学学院院长、教授

a.光品质与光健康

召集人

罗 明——浙江大学光电系教授

瞿 佳——温州医科大学附属眼光医院院长、教授

郝洛西——同济大学建筑与城市规划学院教授、国际照明学会（CIE）副主席

林燕丹——复旦大学教授

熊大曦——中国科学院苏州生物医学工程技术研究所研究员

牟同升——浙江大学教授

魏敏晨——香港理工大学副教授

蔡建奇——中国标准化研究院视觉健康与安全防护实验室主任、研究员

刘 强——武汉大学颜色科学与图像传播研究所所长、副教授

b.光医疗

召集人：

顾 瑛——中科院院士、解放军总医院教授

张凤民 ——黑龙江省医学科学院副院长，哈尔滨医科大学伍连德书院院长、国家地方联合工程研究中心主任

王彦青——复旦大学基础医学院教授

崔锦江——中科院苏州医工所光与健康研究中心副主任、研究员

蔡本志——哈尔滨医科大学教授

董建飞——中国科学院苏州生物医学工程技术研究所研究员

陈德福——北京理工大学医工融合研究院特聘副研究员

杨 华——中国科学院半导体研究所副研究员

c.光通信与传感

召集人：

迟 楠——复旦大学信息科学与工程学院院长、教授

马骁宇——中科院半导体研究所研究员

陈雄斌——中国科学院半导体研究所研究员

田朋飞——复旦大学副研究员

李国强——华南理工大学教授

林维明——福州大学教授

房玉龙——中国电子科技集团公司第十三研究所研究员

d.生物与农业光照

召集人：

杨其长——国际欧亚科学院院士、中国农业科学院都市农业研究所副所长、研究员

唐国庆——中关村半导体照明工程研发及产业联盟副理事长、木林森执行总经理

刘 鹰——浙江大学生物系统工程与食品科学学院院长、教授

泮进明——浙江大学教授、杭州朗拓生物科技有限公司董事长

贺冬仙——中国农业大学教授

陈 凯——华普永明光电股份有限公司董事长、总裁

华桂潮——四维生态董事长

徐 虹——厦门通秮科技有限公司总经理

刘厚诚——华南农业大学教授

李绍华——中科三安光生物产业研究院院长

F7-新型显示材料及应用

主题分论坛主席：

严 群——福州大学教授

孙小卫——南方科技大学电子与电气工程系讲席教授

毕 勇——中国科学院理化技术研究所研究员、激光应用中心主任

a.Mini/Micro-LED显示材料与装备

召集人：

严 群——福州大学教授

王新强——北京大学东莞光电研究院院长、北京大学教授

闫春辉——中民研究院常务副院长、纳微朗科技（深圳）有限公司董事长

刘 斌——南京大学电子科学与工程学院副院长、教授

黄 凯——厦门大学物理科学与技术学院副院长、教授

马松林——TCL集团工业研究院副院长

刘国旭——北京易美新创科技有限公司联合创始人兼CTO

邱 云——京东方科技集团股份有限公司技术企划部副总监

刘召军——南方科技大学研究员

b.激光显示三基色材料与器件

毕 勇——中国科学院理化技术研究所研究员、激光应用中心主任

赵德刚——中国科学院半导体研究所研究员

c.钙钛矿、量子点及柔性照明与显示等

召集人：

孙小卫——南方科技大学电子与电气工程系讲席教授

廖良生——苏州大学教授

徐 征——北京交通大学教授

段 炼——清华大学教授

钟海政——北京理工大学教授

F8-固态紫外材料与器件

主题分论坛主席：

康俊勇——厦门大学教授

王军喜——中国科学院半导体研究所研究员、中科院半导体照明研发中心主任

a.固态紫外发光材料与器件

b.紫外探测材料与器件

召集人：

康俊勇——厦门大学教授

王军喜——中国科学院半导体研究所研究员、中科院半导体照明研发中心主任

黎大兵——中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员

陆 海——南京大学教授

陈长清——华中科技大学教授

郭浩中——台湾交通大学特聘教授

李晓航——沙特国王科技大学副教授

许福军——北京大学物理学院副教授

备注：以上主题论坛召集人仍将不断增加确认中，感谢您的关注与支持！

日程安排

注册费用权益表

备注：

＊中关村半导体照明工程研发及产业联盟（CSA）或第三代半导体产业技术创新战略联盟（CASA）成员单位在此基础上再享受10%优惠。

＊学生参会需提交相关证件。

＊会议现场报到注册不享受各种优惠政策。

＊IFWS相关会议包括：开幕大会、碳化硅衬底材料生长与加工、射频电子材料与器件、碳化硅功率电子材料与器件、氮化物衬底材料生长与同质外延、超宽禁带半导体材料与器件、固态紫外材料与器件、Mini/Micro LED及其他新型显示技术、闭幕大会。

＊相关会议包括：开幕大会、固态紫外材料与器件、半导体照明材料与封装模组、Mini/Micro LED及其他新型显示技术、生物农业光照技术、半导体激光器与光通信、教育照明与健康光环境、光医疗与健康、闭幕大会。

*产业峰会包括：生物农业光照技术与产业应用峰会、生物农业光照技术与产业应用峰会、车用半导体创新合作峰会、UV LED创新应用、Mini/Micro-LED技术产业应用峰会。

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比“两弹一星”更难？一文读懂中国半导体发展8大困境

经过半个多世纪的发展，半导体已经长成为一个巨人，1美元半导体产品可以撬动100美元GDP。

上个月，美国两党参议院先后提出《为半导体生产建立有效激励措施》《美国晶圆代工业法案》，呼吁投入370亿美元以维护本土半导体战略竞争优势。

资本和研发投入对保持半导体行业的竞争力至关重要。而中国要想爬上这个巨人的肩膀，眼前要迈过的坎不只是钱和研发这么简单。

中科院半导体研究所研究员、半导体超晶格国家重点实验室副主任骆军委和中科院院士李树深曾花了10个月的时间进行调研，摸清了中国半导体科技发展的真实现状，以详实的数据和资料阐述了当下国内半导体科技面临的八大困境。

困境1：历史积累厚、技术更新快

2015年，作为全球手机芯片霸主的高通宣布进军服务器芯片市场，并正式对外展示了其首款服务器芯片，不到3年就遭遇重重挫折而退出；从2010年到2019年，英特尔在移动芯片努力了十年，但始终未能撼动高通的地位，最终先后放弃了移动处理器和手机基带芯片两大业务，告别了移动市场。

这两个例子告诉我们，即使是财大气粗的高通和英特尔，想要在半导体领域拓展新的市场，都是九死一生。半导体并不是有钱就能干的。

半导体产品的特点是性能为王、市场占有率为王。它一方面需要长期的历史积累，另一方面还要应对技术的快速更迭。

常有人把半导体研究与两弹一星作比较，认为中国人能做出两弹一星这样的尖端科技，半导体也理应如此。但人们忽视了，两弹一星技术一旦掌握，自我更新速度较慢。半导体是按照摩尔定律高速发展的，单位芯片晶体管数量每18个月增长一倍。

在半导体领域，落后一年都不行。一步慢，步步慢！

困境2：研发成本大、进入门槛极高

国际半导体大公司的平均研发投入长期保持在营业额的20%。2016年，研发支出大于10亿美元的全球半导体公司有13家，前十名的投入总计353.95亿美元，其中英特尔高达127亿美元，2019年增长为314亿美元。

困境3： 产业链条长，拥有最尖端的制造水平

在过去半个世纪里，以8个诺贝尔物理学奖12项发明为代表的研究成果奠定了半导体科技。要支撑半导体技术顶层应用，从材料、结构、器件到电路、架构、算法、软件，缺一不可。

从沙子到芯片，总共有6000多道工序，前5000道工序是从沙子到硅晶片。目前，中国12英寸硅晶片基本依赖进口，无法自主生产。

有了硅晶片之后，集成电路产线中的芯片制造又有300多道工序，其中100道与光刻机相关。光刻工艺是半导体制程中的核心工艺，也是尖端制造水平的代表。一套最先进的阿斯麦 EUV光刻机售价为1.2亿美元，并且是非卖品。

另外，半导体芯片制造涉及19种必须的材料，大多数材料具有极高的技术壁垒。日本在半导体材料领域长期保持着绝对的优势，硅晶圆、化合物半导体晶圆、光罩、光刻胶、靶材料等14种重要材料占了全球50%以上的份额。像光刻胶这样的材料，有效期仅为三个月，中国企业想囤货都不行。

中国的化学很强，化工却很弱。目前，国内芯片制造领域所有的化学材料、化工产品几乎全部依赖进口。

困境4：受到世界主要发达国家的技术限制

1美元半导体产品可以撬动100美元GDP，任何国家都想牢牢抓住这一产业。根据美国半导体工业协会的预测，增加1美元半导体科研经费，可以使GDP提高16.5美元，这样的投入很“划算”。

1986年，日本超越美国成为世界第一大半导体生产国，美国为了打压日本，一方面出台各种政策鼓励其国内企业研发制造，另一方面在1986年签订了《美日半导体协议》，限制日本半导体对美国的出口，同时要求日本必须进口20%的半导体产品，从而在1992年重新夺回世界第一大半导体生产国的地位。

如今，美国面对竞争者同样是步步紧逼。

2017年，白宫出台《确保美国在半导体行业长期领先地位》的报告，包括美国总统科技和政策办公室主任以及各大半导体企业、投资机构、咨询公司CEO和科研机构顶级专家组成的工作组，提出了一系列建议和措施。

其中就包括：建立新的机制，让企业的专家参与半导体政策和挑战；成倍增加政府投入半导体相关领域的研究经费；实施企业税收政策改革；实施包括通用量子计算机、全球天气预测网、实时生化恐怖袭击探测网等一些列“登月”挑战计划来促使半导体技术的创新。

尤其值得注意的是，报告还提到，要动用国家安全工具应对中国的企业政策；加强全球出口控制和内部投资安全（防止中国产生独有技术）。

困境5：人才短缺严重、学科发展不平衡

迄今为止，半导体领域的8个诺贝尔物理学奖12项发明绝大部分来自美国。美国半导体研发的特点是自下而上，从半导体物理、材料、结构、器件逐步上升到应用层面，专业设置和人才队伍非常完整。

中国则恰恰相反，是自上而下。优先关注应用层面，比如集成电路、人工智能，然后才开始局部往下延伸。它带来的根本问题是，投资和研发经费层层截留，越往底层的基础研究越拿不到经费，人才蓄水池很小，于是造成了严重的学科发展不平衡。

我们通过中美高校专业设置对比便可以清楚地看到这一深层问题。

1997年，教育部取消了半导体物理专业。在美国，材料与器件专业是整个半导体领域的核心专业，而我国甚至没有设置该专业。目前，国内只有少量研究组在从事半导体材料与器件相关研究。

再看高校人才培养数量的比较。

我国微电子专业的本科生、硕士生、博士生与美国电子工程专业的学生数量完全不在一个量级。值得注意的是，2015年，美国电子工程专业有52940名硕士生入学，拿到硕士学位的只有15763名，也就是说它淘汰了大量“低水平”学生。而在中国，入学人数本就少，淘汰也少。

总体来看，高校培养半导体学科人才的中美对比是1比6。美国经过半个多世纪的发展，已经积累起了上百万的半导体人才，而我们可以说是人才凋零，仅有的人才大部分集中在集成电路设计领域，真正能够从事半导体材料和器件研究的是稀缺品。

困境6：科研评价机制不利于半导体等核心技术的发展

半导体基础研究尤其独特的地方在于，半导体虽然离应用近，能支撑人类社会和国家安全，但是课题繁多、研究分散，设备依赖大、研究成本高、进入门槛极高，研发周期长，得坐上十年甚至二十年的冷板凳。以至于在中国很少有人愿意投身这个领域。

半导体研究还有一个隐蔽性。目前国内工业界普遍以为，不需要基础研究也能发展半导体产业，这是因为以铜替换铝、高K绝缘层、绝缘衬底SOI、应变硅技术、鳍式3D晶体管、环绕栅级晶体管等延续摩尔定律的重大发明为代表的大量基础研究成果，全部汇集在美国公司提供的EDA软件和工艺设计套件（PDK）里。然而，会设计根本不代表掌握了核心技术。一旦受到设备、软件、材料等封锁，就立刻陷入被动。

我们从来没有建立起独立的半导体专业体系，如今却有很多新兴学科声称与半导体相关，实际上无法支撑半导体基础研究。

在新型热门材料领域，研究论文可以在、及其子刊、AM（IF>25）发表，但在传统半导体领域，一台800万的必备研发设备MBE，一年的运行费用就高达150万，相应的论文产出也许只是每年一篇APL（IF=3.5）。

如果没有国家的引导、激励，任由科研人员做选择，结果是显而易见的。

困境7：研发投入不足、创新链条断裂

美国长期以来在半导体研发中投入了巨额资金。1978年，美国政府投入半导体研发经费是10亿美元，企业投入4亿美元，现在每年联邦政府投入17亿美元，而企业投入则高达400亿美元。

美国半导体企业协会（SIA）目前仍在积极游说政府加大半导体研发投入。它建议：联邦政府对半导体研发的资助将在未来五年内增加2倍达到51亿美元，联邦政府对半导体相关研究的资助将在未来五年内增加一倍达到86亿美元。如此，便可以增加1610亿美元的GDP，创造近50万个新就业岗位，加强美国半导体行业全球领导地位。

通过中美半导体研发投入的比较，差距十分显著。2015年，仅美国企业在半导体领域的研发投入（554亿美元）就超过了我国中央财政全部的科技研发支出（2899.2亿元，其中基础研究经费670.6亿元）。

以中国自然基金委的资助为例，其信息科学部2019年面上项目、青年科学基金项目、重点基金项目、优青基金项目中，半导体科学、光学和光电子学资助占比在2~4.6%之间，半导体总计投入5亿元左右，占整个基金委经费投入的2~3%。

由于国内半导体企业普遍比较弱小，因此研发支出也是捉襟见肘。

令人担忧的是，一直以来我国大型企业投入研发的意愿是非常薄弱的。据欧盟统计，2014年世界2500强企业，研发投入总计5385亿欧元，美国占比是36%，欧盟是30.1%，日本是15.9%，而我国企业只占3.7%。在2014年，中国有100家企业入围世界500强，研发投入占比应该达到20%。

目前，我国半导体研发投入不及美国的5%，这一现状背后还要谨防一个陷进。

美国政府在非国防研发的投入从上世纪60年代占GDP1.8%，下降到2008年的0.8%，2012年的0.7%。

一方面，美国政府的大量半导体研发投入不在这一比例之内，另一方面，美国已经完成了从高校和科研机构到企业的研发转移，前者以前沿基础探索研究为主。

因此，在我国企业研发还非常薄弱的阶段，就不能对照美国政府的科技支出进行分配。

困境8：缺乏知识产权保护

除了产品山寨，半导体行业离职创业进行同质化竞争的现象普遍存在，以至于谁都得不到利润，更没有机会向高端技术领域拓展。

有些大企业看重研究所的研发技术，就通过招聘毕业生的方式“得到”技术。这种竭泽而渔的做法，无法反哺基础研究，实际上也阻碍了真正的成果转化。

上世纪，美国半导体物理研究占凝聚态研究50%以上的课题，美国物理学会期刊 B四个大类中一半是半导体方向，到了2019年则取消了半导体方向，半导体论文大幅削减，因为半导体研究已经十分成熟，该领域论文很难再获得较高的引用。

如果中国照样模仿，以为半导体基础研究不再重要，那就大错特错了。

我们在2019年以前，数理学部几十个研究方向中没有“半导体”三个字，2020年开始才把半导体基础物理纳入了聚凝态物理学部的14个方向之一。

中国要发展半导体，没有捷径可走。必须把历史的欠账还上，逆世界科技潮流，发展半导体基础研究。这需要各行各业的理解和支持，特别是学科设置、人才培养、经费投入和评价机制的改善。

能够支撑未来人工智能、量子计算、先进无线网络这些顶层应用的，是一个完整的半导体技术层级体系。我们只有夯实基础，掌握了半导体现有的技术体系，并在有潜力的环节奋起攻关，形成自己的技术突破，获得一定的技术话语权，才可能在国际竞争中有立足之地。

于此同时，我们可以投入一定比例为将来的技术做储备，但如果我们避重就轻，对准将来的技术和应用蜂拥而上，放弃成熟的技术体系而不顾，这其实是一种赌博，因为将来的技术通常要经历很多失败。

过去，人们说买房是爱国！

现如今，

宣传半导体就是爱国！

支持半导体就是爱国！

研究半导体就是爱国！

投资半导体就是爱国！

投身半导体就是爱国！

（《中国科学报》记者胡珉琦根据骆军委在中科院半导体所“半语-益言”系列讲座中的报告《我国发展半导体科技所面临的困境》整理而成）