他前世对半导体材料有点了解,知道氧化镓是第四代半导体材料的一种,禁带宽度比碳化硅和氮化镓都大,理论上更适合做高压高温场景下的功率器件。但这个东西在2016年的时候全球都还处于实验室阶段,国内应该没有人做出来。
他伸手拿起亚克力盒子,举到灯光下面转了转角度。薄片在光线下呈现出一种半透明的质感,灰蓝色里透出一层极淡的紫色,边缘切割得很整齐,没有毛刺。
“这是晶圆?”他问。
“晶圆级。”陈铭宇点了点头,“这是我们自己长出来的氧化镓单晶衬底,两英寸。厚度二百微米,表面粗糙度小于一纳米,位错密度控制在每平方厘米一万以下。这个参数目前在全球范围内,只有日本的两家研究所有类似的水平。国内我们是独一家。”
李东阳把盒子放回台面上,抬头看着陈铭宇:“什么时候做出来的?”
“上个月底。样品刚做完测试,数据还在整理,但初步结果已经出来了——击穿电场强度达到了八兆伏每厘米,比碳化硅高了将近三倍。巴利加优值,也就是衡量功率器件综合性能的那个指标,是碳化硅的十倍以上。如果做成器件,理论上可以把电力转换效率再往上推一大截。”
“谁做的?”
“蒋艳兵。”
陈铭宇说这个名字的时候带着一种“你猜到了”的语气,“他去年年底从美国过来的,之前在氮化镓领域做了十多年,是那个方向的大拿。来了之后我跟他说,氮化镓你做了半辈子了,换个方向试试?他想了想,说行,然后就挑了氧化镓。”
李东阳的脑子里快速过了一遍蒋艳兵的背景。
美籍华人,41岁,在氮化镓领域深耕了十多年,之前在加州一家半导体公司做首席科学家,手里有几十项专利。2014年年底通过猎头挖到深空工业研究院,来的时候陈铭宇亲自跟他聊了三个小时。这个人话不多,但提出的条件很具体——要独立的实验室、要配套的团队、要能自由选择研究方向。陈铭宇当时都答应了。
“他现在人在哪?”
“今天休息,昨晚又是一个大通宵。氧化镓的晶体生长设备在基地,这边实验室主要是做器件设计和测试。他一个月也就回家三五趟。”陈铭宇带着李东阳往实验室旁边的办公室走,“你要不要见一面?”
“先不急。”李东阳在办公室的沙发上坐下来,“你把氧化镓这个东西的应用前景和产业价值跟我说清楚,用我能听懂的话。”
陈铭宇在对面坐下来,想了想措辞。
“如果说碳化硅和氮化镓是第三代半导体,那氧化镓就是第四代。它的核心优势是禁带宽度——四点八到四点九电子伏特,比碳化硅的三点二六和氮化镓的三点四都高出一大截。禁带宽度越大,意味着材料能承受的电压越高、耐高温能力越强、抗辐照性能越好。简单说,用氧化镓做出来的功率器件,可以在更高的电压、更高的温度、更强的辐射环境下工作,同时开关损耗更低。”
他掰着手指头数了几个应用方向。
“第一个是电动汽车。电动车最核心的部件之一是功率半导体,控制电流转换的。目前主流用的是硅基IGbt,效率大概在百分之九十五到九十七之间。如果用氧化镓做,效率可以推到百分之九十九以上。别小看这两个点,放在一辆续航四百公里的车上,能多跑二三十公里。而且氧化镓器件的体积比硅基器件小得多,能省出不少空间。”
“第二个是电网。特高压输电、柔性直流输电这些场景,对功率器件的耐压能力要求极高。氧化镓的击穿场强是硅的二十多倍,做出来的器件耐压能力远超现有产品。如果用在电网的换流阀上,可以减少大量的变压器和散热设备,整个输电系统的成本和体积都能降下来。”
“第三个是雷达和通信。氧化镓的耐高温和抗辐照特性,在军用雷达和卫星通信上有天然优势。这个方向的具体应用我不方便在这里说太细,但你懂的。”
李东阳听到“军用”两个字的时候,眼神动了一下。陈铭宇捕捉到了那个变化,语气放低了一些:“说到军用,有个事我得跟你汇报。”
“说。”
“固态电池那边,上个月总参装备部组织了一轮技术评审。我们的dp-1电池送过去做了全套测试,能量密度和安全性都过了,针刺不起火、枪击不爆炸,这些数据在他们之前接触过的所有电池里是最好的。但有两个参数没达标。”
“哪两个?”
“一个是循环寿命。军用场景对循环寿命的要求跟民用不一样,有些设备需要反复充放电要求虽然不高,但是我们这个目前依旧差了点,目前技术上做到350次但是军方的意思,至少要到500次以上才行。另一个是低温性能。在零下四十度的环境下,容量保持率只有百分之五十七,他们要求百分之八十以上。”
李东阳靠在沙发上想了想:“总参那边什么态度?”
“态度很好。他们没有说不行,反而主动提出来帮我们解决一个问题——军品资质。深空目前没有军品生产的资质,产品再好也进不了采购名录。总参装备部的意思是,他们可以牵头跟长安汽车对接,用长安的资质来承接这个项目。长安汽车有完整的军品生产资质,而且他们在新能源方向布局比较早,跟我们做联合开发的话,资质问题和渠道问题都能一并解决。”
“他们想让我们跟长安合作?”
“对。总参那边明确表态了,强烈需要这个产品。他们认为固态电池在单兵装备、无人机、特种车辆这些场景下有不可替代的优势。只要我们能解决循环寿命和低温性能的问题,资质和渠道的事他们来协调。”
李东阳沉默了几秒。
他之前对固态电池的规划一直偏向民用市场,军用方向只是退而其次的过度方案。但总参主动牵头解决资质问题这个信号很明确——他们真的需要这个东西,而且愿意用体制内的资源来换。
“循环寿命的问题,卡在哪里?”
“主要是电解质和电极界面的稳定性。反复充放电过程中,界面会逐渐退化,导致内阻增加、容量衰减。我们目前的解决方案是ALd缓冲层,但缓冲层在多次循环之后会出现微裂纹,影响离子传输。蒋艳兵那边在氧化镓上用的晶体生长技术,也许可以借鉴到电解质薄膜的制备上。都是氧化物体系,界面工程有相通的地方。”