Deep Dive
Shownotes Transcript
请不吝点赞 订阅 转发 打赏支持明镜与点点栏目
欢迎大家收听新片揭秘,我是主播幻石,本期我邀请到了江南大学集成电路学院博士生导师敖金平教授。敖教授曾在日本德岛大学工作,该大学是日本少数能够培养出诺贝尔物理学家得主的地方国立大学,因其学生成功研发出世界上第一个高亮度蓝光 LED 而享誉海外。
敖教授从事的是 GAN 的光电器件和电子器件的研究在这个领域积累了丰富的经验今天要跟敖教授好好请教一下我看您的研究是氮化钾也就是所谓的 GAN 尤其是在微波和高频应用中我觉得它们都有非常大的一个潜力您在做这方面研究的时候肯定会遇到一些 GAN 这个器件有一些技术和挑战所以能不能跟我们分享分享做这个方面的研究会遇到哪些困难这个器件的特色会带来哪些不一样的难点
淡化加这个材料我们一般叫它宽积的半导体或者第三类半导体它是相当于过去的硅啊 深化加所以它这个器械最早出来是发光就是说蓝光和白光我是 01 年去日本刚开始也做发光因为那个时候做这个电器还不太成熟需要材料什么的那么先做发光后来慢慢才切换到
做了两年那个时候的发光用的市场是 LED 吗就是 LED 因为日本是弄得最好为什么我去了日本的德岛大学就是 Tokushima University 当时就是从那个地方突破的当时是 1993 年吧应该是全世界第一个蓝光发光发电馆就那个地方出来的是鼻祖所以在很长一段时间内一般以上的产品从那个地方运出来的
那是个小城市只有 26 万人那么它占了世界份额一万以上所以说因为有这个我才当时才去那边然后那边一些老先生都是做发光的那么他需要我们这种做那个电力电子器件做微波器件的人所以他就全球招人他们想找点新的应用去做通货所以那时候您去日本还是非常早的做这个器件研究的一拨人了对
因为我原来在国内我们在中电和四三所那个时候就是做生化家所以他看着我这个经历二代半导体然后让你去搞三代我听说很高的简历我最后检历到那就这个了听说挺厉害因为他向全球招问那么去了以后就做这个当然你这个问题提的非常好就是说要把过去他做发光的要换成来做电力电子器件或者微波器件那一定是要有过去的基础所以过去就是从生化家开始的
所以它很多尤其是现在我们做微波毫米波线这样就传承了负责做生化家的经验那么里面当然有很复杂的结构结构就跟它发光的结构不一样我们还是复杂多了对 然后它要求也不一样发光它就是我能够最大效率的发光然后把它放一倒出来就可以了它做电力电子或者说微波器件完全不一样理念它对里面的每一层的要求结构还有时候
工艺方面要求都不一样所以对于做发光的这些专业们来讲是一个新的东西最早应该是从九几年开始最早是美国做的因为发光的时候是日本突破的是吧但是后来上电力电子大家都跟上来就是 GAN 的突破的时候反而在美国可能走的对别的跨界的英勇对当然日本也有日本这些大公司他们也在做做这些电子旗舰 微博旗舰这里面就是不像
因为设备也不一样比如说里面一个最大问题就是它要求细线条
过去这个发光它的概念都是几百微米那到了做电器件就是几百纳米甚至将来要到几十个纳米这量程都不一样量程不一样它对那个线条的进行不一样尤其我们讲微波和微波肯定都要到纳米级也就那几微米我们叫亚微米级这个是不一样所以真的这个应用最重要的首先突破材料在新的工艺下的要求对对对工艺要求不一样所以需要有更好的设备什么的您在日本待了多久我有差不多 20 年时间
那是真的参与了整个过程我看您最近还有在大会上有做分享有说关于这个 Gan 的微波消特机二极管的设计和制造有一些创新的方案您能不能给我们讲讲这个创新方向的核心的逻辑还有它的产品的技术亮点然后让我们也了解了解在这个传统的赛道还能有什么新玩法
就是
大概在 07 年左右那个时候就是有一个你们可能了解过宇宙太阳能发电感觉好三体啊对 民间现在也叫什么太空空气宝什么意思呢就是现在我们的太阳电池是放在地面上沙漠海上是吧那么比如说现在天黑了它就不发电了
明天又下雨了阴天了所以说我们花了这么大的价钱做太阳电池架在地面上实际上接收的光功率不到 30%在传输过程中死耗没了它接收的光时间有限那么怎么能够让它一天二次也是不停的发电好了就是要把太阳电池打到太空里去
它有三亿万六千公里的地方那么它能够 24 小时发电不受地球的自转的影响一直有太阳那么怎么把这个电要传到地球上来呢那就用微波传下来这是一种方式当然还有种方式是用激光也可以我当时在日本的时候主要是京都大学他们在做这个但那些他们都是做微波的专家他们在过年当中他们发现原来那个传统器械不好用了为什么呢
比如说通讯的话我们现在手机当然也用这个器件那它到这边都是维瓦基的能量所以没关系它只要信号进来我把它接收然后放大就可以但现在进来是能量所以过去的器件不能用不好用不能用的话效率很低对一个是通讯用一个是用能量用这个是能量不一样它承受的功率承受的电压是不一样的那么
现在寿命都没有所以我们那个时候就是从零开始来研发这个东西我不觉得很异想天开吗当时这么想的是吧我现在听了都觉得异想天开但实际上我跟你说几年以后我们就可以实现真的可以实现所以人真的要成为宇宙人了是吧不是地球村了我们会在天空就会有太空电站那么我们会把电往下传传到哪我们能够控制是吧所以有人叫太空充电宝太空电站
将来你不管你去海上还是去岛上那这个店就可以直接给你照过去了那跟您这个肖特基二级管有啥关系这个就是正好就用于接收这边
我刚刚说发射这边是用那个比如说单管家的功率放大器是吧跟通讯是一样的那么接受这边就需要用天线然后加入我这个消费家这个管我们叫一个微波整流电路要把它接受的不线电波给它变成一个直流电就是能量你要能接得住而且转化成电转化成直流电能够启动你的电器啊或者给你充电啊感觉好前沿啊当时做的时候没有啊
那叫开始琢磨折磨它因为这里面一个很重要的问题就是说如果进来的微波比较强就是说明你这个管子要承受一定的电压然后还有效率非常高把它转换过去那
最早的时候效率很低那我们现在把一个微波的能量变成直流电效率可以做到 90%我这听起来已经很厉害了那现在这个二极管已经做出来了我们已经在往国内这些搞这个方面研究的地方在送样品给人家用像四川大学啊上海大学啊还有些研究所我们让他用还有一些公司他想开发的系统的
那么你拿我们的器件去用所以我马上想到的是如果是这样在很多需要用电的装备上或者物品上去装上您的这个超特加二极管就可以直接收电了嘛对不对就可以直接帮它变相来说就变成了无线充电因为它是微波传输嘛那就变成一个远距离无线充电了我这个想象空间
还是很大的对这里面有两层意思一种就是说如果你作为一个发射员那我把它接收这个没问题这个我们就无线充电要还有一种就是我们现在的空间就有很多无线电波比如说 WiFi 基站当然这个能量是很弱的到我们身边可能就是在维瓦基那我们现在在研究比如说 20 维瓦就是这么低的能量我们收集下来把它变成直流电这个叫能量收集比如讲到我们会有物联网
物流网里面到处都传感器将来我们整个国土的桥梁道路的监视我们可能告诉丢一些传感器不要电池电池因为也可能几天就坏掉了
我们就埋上我们的芯片往内放它就能够收集这个空中这些无线电波它就能工作用电感觉刚刚您随便就讲了好几个应用所以这里我想请你惠总讲一下您觉得咱们淡化家作为基础的微波技术在哪些方向或者哪些领域是比较有潜力的现在比较通用的就是微波通讯
当然现在是微博将来回到毫米波像昨天我们还在讨论将来回到太赫兹波段太赫兹可能就要到 100 多个 Gigahertz 了那么在这些频段他就做通讯那这个是一定要用到档号架的
当然我们说过去生化架也能用生化架可以用但它发射功率不够传的距离是吧效率可能不行通讯这块从微波到毫米波到太阳这个是要用氮化架的当然还是要像军用像雷达是吧这个探测然后现在最近出现了像这种无人机我们叫低空经济嘛
将来都设计大量的这种通讯这个是一种大话家就是发射这块那么还有一个用途就是我刚才说我们收集能量或者我们用微博来传输能量那么接触这块也肯定是一种大话家因为只有大话家能够承受能量承受压力它能供着的频段效率还高
音频听得一知半解专业术语到底怎么写关注公众号星天揭秘大咖谈新文章已经上线配合音频使用效果更佳有问题也可在评论区和我们互动留言我们请产业大咖为你解答
是一个非常好的载体器件所以这个也是我们敖教授毕生研究的方向我其实觉得还有一个很现实的问题大家都觉得淡化胶太贵了用不起您觉得在未来的产业化方向中淡化胶的成本有降低的空间吗因为我们也看这些年碳化硅的器件其实是陈底材料也在降低外延材料成本也在降低导致中端的器件
都在降成本就是感觉好像干这个成本降的不是很多就不知道什么原因也想请教您问问未来有没有机会这个问题很简单只要你回过头看一下蓝光发光二级管 90 年代出来的时候也很贵的了 90 年一个小管子可能就要 10 20 块钱但现在一分钱都不用了能多少离啊为什么呢
很多厂商都开始用它的量上去以后那么它成本自然降了还有一个就是芯片尺寸越来越大了像我最早我零几年在日本研究的时候那时候两英寸现在四英寸六英寸我们现在已经开始三英寸了三颗带的然后折下来的成本变一些就是一个是慢慢往大尺寸走还有一个就是市场值得推广电的材料成本有没有降的过程主要在材料这块
因为制造上都差不多了相对来讲淡化家这种半浪体它比硅的流程要短你说工艺的数量是没有那么多到的那举个例子像您说的那个销售家机罐就是大概工艺是多少到做成干机的它们的底下它们这个有源层它是靠外延一次就长好了不像那个硅的线还有扩散啊注入啊退火啊什么的是吧要反反又是 NEP
它这一下就扳远好了扳远好了之后让我无线上面做结构所以我们这个西奥特加机馆我估计就是那么几道工艺就可以下来
所以你刚才看到我们没有多少黄金对我去年实验室感觉好像很极具很精致然后就也不是特别大然后就能把气垫做出来了对对对它是反复用外面实际上它已经把那个圆才能做好了那后来我就是光刻啊沉积啊刻实精致化就试到
相对来说就是流程要短不知道还不来多长几层就出来了这些这也是干的优势应该是比规矩来说尤其像未来的规矩那是纳米级啊这个大深孔堆叠各种玩法我这个其实太难了当然我们可能那个片子要贵因为贵到贵面很便宜它是一个空白的嘛
完全靠后面来做供应所以它那个基板便宜我们的基板是靠外延下来的所以那个基板首先就在那里我们是特种金属来做的然后刚刚其实我参观完您实验室我感觉就是产学院这件事其实挺不容易的由基础研究到技术转化我也正好想问问您也经历了这么多年这种技术的推动从您的视角上来看您觉得技术转化的过程中最大的挑战是什么又有什么方向是需要寻求解决方案的
我们做这种气垫研究最大的挑战就是应用市场你一定要找精子你做这个东西是什么样可以用它的应用场景在哪这个非常重要把个气垫做出来对我们来说不是最大的挑战挑战的是做这个气垫干什么用
什么厂会接受你这个东西就是说面向市场我一般来看 GAN 的时候大家都会说做快充啊做充电桩啊对所以今天您跟我讲的角度都是我没听过的这个场景的探选我觉得还是蛮需要勇气的不是特别容易理解的门槛又特别高
因为市场它实际上这样的市场并不是说在等一个什么东西比如说我等大房价是吧它会基于现有的技术做它的东西那么只有你这些东西出来以后你去试一试市场而不是市场会来找你当然唯一的市场找你的就是原来说这个蓝光蓝光是一出现就产业化就这个时间非常短为什么呢因为过去没有
过去半载里发光只有黄光红光一个生化家做的是吧没有蓝光没有绿光那么后来你只要蓝光绿光做出来马上就有人买就有人用不管你做的多烂那第一波翅膀切的是什么样的公司呢这个说来话长了这个一定是有勇气的你们可能在网上有看到很多报道就是日本日亚化学日亚化学当时是一家很小的公司不到 100 个人做日光灯的荧光粉
那是 80 年代爸爸当社长那样当时就是因为他听了得到大家一个教授说你将来想发展大王家是个机会那个时候大王家什么概念呢大家明白大王家将来能发绿光蓝光是在 60 年代就明白了从理论计算能代计算已经知道但是这个材料合成不出来更不用说做成气垫结构做成发光基本上大家试的很多方式都放弃了
就日本这么几个地方一个是名古屋大学一个是德尔大学加上这个日亚德尔大学跟日亚在一个地方他这张就没有放弃一直在试
他们坚持下来了早期的话你想想设备都没有都自己搭的自己去想那些原理什么的咱们只花了几年时间就突破了 1993 年日亚化学发布了世界上第一个蓝光发光机管轰动世界了原来我们半导体可以发出蓝光非常漂亮不是理论概念是真的物理世界有了半导化家这个是最有故事的一个半导体
包括这些人的传奇在日本上拍很多书都写这个当时怎么突破大画家这个是需要有勇气去做我们要成熟去反复去实验当时这一批的我家他们最大的好处就是大家那种动手能力很强就把它做完了大画家这个就非常说明就是一个技术改变一个公司改变世界改变了一所大学的全球的评价因为得到大学当时是一个地方国立大学也出了一个诺贝尔奖
对 这很荣耀你可能想不出来那个诺贝尔奖是在俄罗党乡下的一片稻田里面中间一个公司热化学他们做淡化家做到世界第一 2014 年获得诺贝尔物理学奖非常励志教授你现在也在带领团队给江南大学做这个学科的建设所以您在做博士生导师培养学生的过程中你比较看重什么样的能力会有针对性的培养学生什么样的能力呢
首先就是学生他本身要对这个要有兴趣他要坐得住比如说你们刚才看到那个进化间有可能一进去就几个小时对不舒服的过去我在日本上有个学生就跟我说熊先生我来你这个可以我不进那个地方去那么他就只来到外面做一些仿真什么的但你真正做报道那里他要有动手能力的如果就超过这些
大型仪器设备那么这样的话一方面首先是一个机会因为在一个大型的人来摸到那么大设备的地方不是太多所以对学生本身来讲它是非常好的一个锻炼还有一个就是半导体这东西比较难难在就是你看不见摸不着嘛完全是靠想象它的电流怎么流啊想象力非常重要
另外呢它又复杂到什么呢它跟这些材料化学设备也都有点关系你最好是都懂一点然后它的应用场景将来你要涉及到电力电子啊什么微波啊通讯啊它都要懂所以它要求它自身面容光所以其实培养一个人是很不容易的所以他们出去薪水都高啊
听到我们栏目的学生可以去报加拿大许多看到时候有没有幸收到你这几年经电路回电子这个学生很好找工作非常非常热而且刚好也是属于未来非常高需的产业方向本身这个行业门槛也高比如说我们的学生他真正将来成长起来会学很多东西啊
本科才开始因为我们原来是物理系的那么你怎么学什么普通物理量子物理那么后面固体物理材料电路后面再说到半导体气垫这个集成电路它需要很多东西然后再去实践
他们真正成为一个合格的工程师最后一个问题想跟敖教授请教一下蔚来因为您做的是淡化家的这个无线微波传输这个其实是一个非常前沿的方向那能不能帮我们展望一下蔚来 5 到 10 年这个技术路线会发展成什么样然后还有哪些瓶颈需要解决这个微波无线传能这个技术我刚才介绍了最大的驱动就是这个
他们也在研究怎么能够让微波有效的
传到这边来然后尽量的接受它也解释传输效率问题还解释一个就是如果要定向传输微波跟激光不一样激光是它这个波数有很强的指向性微波它基本上比如我们通讯它是发散的所以我们做通讯就可以或者说我们尽量看到我们驱动一些小电机大面积的
它就发散过去如果我们将来让它有效的传输快速传输要让它播出要有指向性那么这里面就是天线组合这方面也要做研究当然我们说到太空就比较复杂了因为太空它是卫星卫星里面调动这些角度还很难的目前我们 135 开始到 145 现在在西安电子科学大学南校区已经建了 70 多米高的一个塔上面就是收集太阳能让它变成这种电然后再变成微波然后用天线发射到地面
地面接收这个已经实验室肯定没问题理论实验室都做过了这个已经在做了当里面核心的就是解决传输效率问题然后让传输有指向性另外就还解决一些控制问题那么下一步就要发卫星了有可能会在 155 当时不是我说的算我们要向国家界申请就是我们要展示我们的技术已经到了
我们国家航空航天技术很好那么结合我们这些微波机也可能在未来的十年之内会有微星上天我们这个太阳能发电站就会出现那这样的话在太空上就可以有无期无期的能量可以转化你不用带太多燃料对 当时有一个试算确实是这样我们如果按照两平方公里左右的一个太阳能电子在天空的话
它的电量相当于它原子能发电如果我们只要有足够的位置我们可能不需要原子能发电这是纯清洁电源刚才这里面制造太阳电池也需要成本的那么这个过程中无线传输发电的技术难点或瓶颈在哪里呢
这里面就是有两个看你的用途一种就是我刚才说如果其中大面积的传感器那么它就要尽量发散要覆盖在电的系统之外去解决它的效率问题另外就是传出这一块怎么能够让它效率高还一个就是如果要定向传输那么在天线上下功夫那么让这个波数定向传过去核心就是效率然后可控有些当做天空传下来是要可以控制的感觉对未来能源枯竭一点都不担心这就是
一个梦想我们是为梦想在做研究了这个很骄傲这个要做冷半顿的非常佩服奥教授在这个赛道能坚持这么长时间我们也得快 20 年了做这个我们做的器件一直在迭代效率越来越高最早做的可能效率只有四五十还现在做到九十几了我们从材料开始结构一直到工艺然后它的设计比如说我们还有 DEMO 就把它做成直接转换器
一直在验证它应该很快能够产业化了但产业化还有一个问题就是微波它人体是有害的所以除了技术的问题要解决还有一个就是将来还需要法律法规标准化就在什么情况下怎么用它才安全对就跟高压数变电一样都有标准和管控规范对可能目前这个是更迫切
当然这个应该不会有问题因为只要有应用场景大家肯定就开始考虑这个问题从企业还是从行业从国家的肯定考虑那我们可以要制定标准但是好在我们现在技术已经越来越可以接近实用化了感谢敖教授今天跟我们科普了这么多微波相关的一个应用场景然后也祝您的实验早日突破能到产业化的应用中如果有企业想跟敖教授合作也可以跟我们联系我觉得这个特别特别自豪要多感叹
我是江南大学教授敖金平我在芯片揭秘等着你