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山东省工程技术研究中心(筹建)
2018-06-21 14:29   审核人:

一、中心组织结构情况

中心以学科交叉、重在原创;对外开放、国际接轨;人才汇聚、一流成果为指导思想,突出学科综合与交叉,强调原创性的基础研究、应用基础研究和关键技术突破;坚持以人为本,为研究人员提供一个能充分发挥创造性和学科间融合的学术环境,形成人才汇聚机制,产生重大原创成果和突破关键技术,构建全新的运行机制。发展壮大成为具有国际化视野、国内领先的高性能微纳器件与芯片集成领域创新团队,为山东大学双一流建设和山东省新旧动能转换做出实质性贡献。

中心努力探索机制创新,形成既相互独立、又相互协同的学术管理、行政管理和支持服务3 大体系,构建多元化用人机制、人才汇聚机制、目标管理机制、人才竟争、激励、流动和绩效评价机制、资源共享机制、自主管理机制、开放交流机制和准入退出机制8 项保障机制,建立起科学、规范、有效的新型运行机制和运行模式。

中心按照要求实行主任负责制,设首席科学家1名,主任1名,副主任多名。建立了办公会议制度,设秘书兼联络员。主任办公会为中心的最高管理机构,由主任办公会议确定发展目标和计划,建立健全各项管理制度、审核并批准项目计划等各项工作。

中心设立技术创新委员会、专家委员会。实行与国际接轨的学术管理制度。主要负责审查研发计划、年度考核和目标任务,对研究方案进行论证和策划,研究解决重大技术难题和对项目进行咨询。

下设多个研发实验平台及信息咨询部、市场培训部、行政财务部,负责人分别由相关专业高级研究人员担任。协调沟通团队内部有关工作,负责建立和运行公共科研和信息资源服务平台,整合每个研究方向研究平台的资源、知识产权等。注重知识产权的保护工作,鼓励、保护发明创造,树立知识产权意识,逐步形成自己的“专利池”,实现快速的技术积累。建立联动反馈机制,以需求为导向,面向生产、着眼应用,立足解决行业内重大实际问题,保证研究成果的转化率,使技术价值最终体现到产品价值上,扩大在国家、行业、省市的知名度,为推动我国科技进步事业做出贡献。具体机构包括:

技术委员会:主要负责研究制订产品开发战略、研发经费预算、中心年度计划及长远发展规划、产品开发重大课题、年度考核方案的制订和实施等。

专家委员会:主要负责提出并审查产品和技术研发计划,对产品开发方案进行论证和策划,研究解决重大技术难题和对技术开发项目进行咨询。

综合部:管理中心的各项日常行政事务,负责中心各部门之间的工作协调,外聘专家和技术顾问的服务与管理,中心人事档案的管理,负责中心各项工作的考核,提出奖惩方案。

信息中心:负责科技情报的收集与整理,市场动态、客户资料等信息的分析与反馈,产品技术档案和资料的管理。

财务部:负责中心财务预算的编制、科研经费的管理与监督,经费和研发设备台帐的管理以及相关统计报表的编制与报送。

研发中心:重点开展新产品的开发、新技术的应用和实施、产品技术的储备。对产品生产过程进行指导和监督,根据生产和技术的需要对产品提出技术改造方案并具体实施,参与对外技术合作与交流,负责技术培训工作。

测试中心:负责新产品的测试、新产品的送检、项目的报批与验收和产品质量的监督与检测,为产品研发和生产过程提供相关数据。

具体任务实行课题组长负责制即PI制。项目组长根据年度工作计划制定出项目的总体计划及年度计划,经办公会议批准实施,并接受主任办公会议的监督。


1. 课题组长负责制即PI制,组织和发展科研团队,通过合理配置现有资源,实行个性化目标管理的科研组织模式。

2. 课题组是基本科研活动单元,负责实施所属学科方向的科研活动、学科建设和人才引进培养任务,创新团队的发展主要依赖于各PI课题组的发展;推进以PI为主体的人才组织体系,建立PI在创新团队各项工作中的主体地位。

3. PI和课题组成员依据自愿互利和双向选择的原则,可在全院、全校范围内跨学科组建课题组;对不称职的课题组成员,PI有权提出辞退;课题组成员也有权提出退出课题组。两种情况,均需以书面报告形式报创新团队专家委员会批准、备案。

4. PI课题组依据“工作目标责任书”进行管理。PI根据创新团队总体安排,会同课题组成员拟定个性化的“工作目标责任书”,经创新团队专家委员会讨论后批准备案,作为课题组科研业绩评估、考核的主要依据;PI负责向专家委员会递交年度工作总结报告。

5. PI聘期为创新团队周期。按照“工作目标责任书”规定的内容,实施“一年一述职、两年一考评”的评估机制(评估考核方法另行制定);述职主要考察PI的年度工作进展;考评主要评估PI的工作状态,并给出定性意见,对考评不合格的PI,由创新团队专家委员会批准后可提前解聘;考核主要综合评估PI的工作业绩,并决定续聘或解聘;课题组成员的聘期与PI聘期相同。

6. PI全面负责课题组团队与科研工作:

(1) 根据“工作目标责任书”的要求,明确研究方向、制定研究计划、组织科研队伍、落实研究内容和完成任务目标;

(2) 组织推动课题组成员申请各种类型的科研项目、合理使用科研经费、高质量完成任务取得一流科研成果;

(3) 组织安排课题组成员的工作任务和分工并监督落实;

(4)调动课题组成员的积极性,培养课题组年轻成员、研究生和博士后等;

(5) 杜绝任何形式的学术腐败;

(6) 组织组内或课题间的学术交流活动;

(7) 指导和管理创新团队按照科研贡献拨发的课题组经费;

(8)根据课题组成员完成工作任务情况对其科研业绩效任务提出建议。

7.课题组成员在PI组织下参与课题组承担的各项科学研究和团队建设任务:

(1) 定期向PI汇报研究工作进展;

(2)PI组织协调下申请科研经费并按照学校和创新团队规定和项目预算,与PI协调合理使用这些经费,完成相关科研任务;

(3)依据自己的贡献分享研究成果,包括发表论文、申请专利、成果申报和有关奖励;

(4) 对研究方案和计划以及技术路线提出合理建议。


二、运行管理规章制度建设情况

中心按照开放、流动、联合、竞争的原则,以学科交叉、重在原创;公平竞争、对外开放;先进管理、国际接轨;人才汇聚、一流成果为指导思想构建全新的运行机制。

中心突出学科综合与交叉,强调原创性的基础研究、应用基础研究和关键技术突破。

中心坚持学术民主、公平竞争。为建立和保持一支高水平的研究队伍,对实验室人员实行严格选聘,并实行有期限聘期制,并采取措施促进人员合理流动。

中心实行与国际接轨的学术管理制度。

中心坚持以人为本,营造创新文化氛围和人才成长环境,为研究人员提供一个宽松、能够充分发挥创造性和学科间融合的学术环境,形成人才汇聚机制,产生重大原创成果和突破关键技术。

在技术、产品、标准、应用和工程管理等方面广泛开展与国内外著名企业和研究机构的交流与合作。

努力探索机制创新,形成既相互独立、又相互协同的学术管理、行政管理和支持服务3 个体系,构建多元化用人机制、人才汇聚机制、目标管理机制、人才竟争、激励、流动和绩效评价机制、资源共享机制、自主管理机制、开放交流机制和准入退出机制8 项保障机制,建立起科学、规范、有效的新型运行机制和运行模式。力争能够入选国家、省部级创新团队,申请成立高性能微纳器件与芯片集成协同创新中心和科研平台。

内部运行机制

中心采用项目负责制及项目责任制的运行模式,根据项目大纲的要求在中心内部采用竞聘的方式确定项目负责人和项目责任人,项目负责人和项目责任人按照平等自愿的原则组建,由技术人员、管理人员组成的项目组。项目负责人负责组建、领导项目组的各项工作,按项目大纲的要求制定项目实施进度方案,分解落实项目实施人员,对项目进度、工艺技术及产品质量负责;项目责任人负责落实、协调项目进度,向技术管理部门定期汇报项目实施情况,协助项目负责人做好项目组的管理工作及项目鉴定工作。

项目组组建后,独立进行相关项目的运作,由研究中心和综合科按项目开发大纲的要求对项目组进行考评,根据项目进度完成情况及考评结果实施奖罚,项目组内部实行项目工资制,项目负责人对项目组成员承担的工作进行考评,自行确定项目组内部的分配机制。完成开发大纲的项目,经过实际生产考验,撰写技术开发总结、工作总结、财务效益分析报告,报工程技术研究中心备案后,请专家委员会进行鉴定,经专家委员会批准方可进行工艺定型,纳入中心正式工艺技术管理范围。

②对外运行机制

实行以公益性服务先行,有偿服务为主的对外服务机制。

③产学研合作机制

中心实行产学研结合的运行机制,实行协议合作、共同建设、资源共享、联合攻关、成果共享、技术共用的合作机制。依托单位山东大学负责落实服务中心的场地、仪器设备、相关设施的建设和新增研发、设计、检测等的投入,科研成果的转化;合作产学研单位负责协助中心的建设,重点负责创新研发系统地创建、创新技术与专用设备的研发、信息咨询与培训等,实现本校设计、试验、测试、培训资源的共享等;双方共同负责总体方案的制定、管理机构与服务部门的建设以及项目相关服务内容的全面建设等。

培训人员及开放服务水平

①与国内外知名单位建立长期合作关系,能够实现研究资源共享,对于重难点课题能够进行共同攻关,实现产学研结合。

②中心在各项基础设施及检测、试制设备水平上达到国内最先进的水平。培训本行业相关企事业单位人员,使之掌握最先进的生产技术,能够运用先进的生产、检测设备从事产品开发。

三、依托山东大学微电子学院情况

山东大学微电子学院有从事芯片和集成电路设计的专任教师近十名,其中国家千人计划1名(IET院士)、长江学者1人、杰出青年基金1人、教育部新世纪优秀人才1人、泰山学者1人、泰山领军人才1名、济南市5150人才2名、山东大学未来学者1名。研究队伍学科背景丰富,涵盖物理、材料、电子、信息、生物医学工程等多个领域。

学院有一流微细加工实验室,仪器设备总值4100万元,实验室已具备材料生长、器件工艺加工和材料与器件基本性能测试和表征的能力和条件。拥有可多点接入的开放式EDA服务器,预装了Synopsys、Cadence、Mentor Graphics等集成电路主流设计软件,集成电路设计软件环境接近产业界一流公司,累计经费近1000万元。

在模拟与射频集成电路设计、大规模数字集成电路设计、片上可编程系统研发、嵌入式系统研发、生物信息提取与医疗电子等领域进行了长期的科研,成功研制了北斗二代/GPS射频芯片、高性能LED显示驱动控制芯片、AVS编解码芯片、人工电子耳蜗等成果,取得了良好的经济效益和社会效益。

自主北斗芯片电路

具体成功流片了北斗二代/GPS多频多模射频前端芯片和高密度LED驱动芯片并实现百万片的量产规模;以BPSK语音发送芯片为核心的监听系统为公安部列装产品;RDSS射频收发芯片可以实现与同步轨道上的卫星实现有效通信;低功耗12bit SAR ADC芯片被合作单位成功用于“天通一号”卫星通信接收机。部分芯片的设计指标能够达到国际领先水平,在卫星定位导航、柔性显示、传感器系统、电网智能巡检、公安监控、交通监控等领域有着广泛的应用。在人工智能芯片领域,国内外呈现各有特色的发展,通用人工智能加速芯片的水平已经达到比较高的水平。例如,集成72亿个晶体管的NVIDIA Pascal架构GPU,集成54亿个晶体管的IBM仿人脑芯片TrueNorth,Intel Knights Mill架构处理器,中国科学院计算技术研究所“寒武纪”处理器以及中星微“星光智能一号”处理器也已经在移动产品上得到应用,山东大学微电子学院芯片团队的实时、低功耗的专用DPU来加速嵌入式系统的深度学习计算为行业领先的探索实践、具有重大的科学意义。

在柔性电子芯片领域,山东大学纳电子工程研究中心由宋爱民教授在学校的大力支持下于2012年初领衔组建,并在2015年7月正式投入运行。中心是山东大学纳电子科学技术创新的摇篮,也是纳电子科技推广应用的研发平台。既拥有在Nature Communications 上发表高水平论文的世界级科研科能力,也具备美国硅谷芯片设计多年工程经验,是一个理论水平高超、工程经验丰富的团队。建有目前世界加工精度一流的7nm加工平台,柔性薄膜器件及集成的整套设备,和国内领先的750GHz太赫兹微波测试平台,完备的导体、半导体及绝缘体材料生长系统、材料与器件分析测试平台,研究能力已经全面接轨国际领先水平,累计经费3500万元。

与美国硅谷芯片设计团队、英国曼彻斯特大学、美国华盛顿大学、清华大学、苏州飞思卡尔等芯片团队保持着密切的学术交流与技术合作,熟悉芯片领域的国际热点问题和工业界主流技术。已经获得的数个重大突破,在柔性高频电子与可柔性低功耗CMOS集成芯片领域达到了国际领先水平。基于新型柔性透明氧化物半导体材料,团队2015年在柔性透明塑料衬底上实现了当前世界上速度最快的6.3 GHz柔性二极管,超过了手机通讯、蓝牙、WiFi等的2.45GHz的基频,并至今仍保持着世界上速度最快的柔性二极管的最高纪录 (Nature Communications, Vol.6, 7561, 2015)。基于2018年,团队基于非晶氧化物半导体研制成了截止频率超过1GHz的薄膜晶体管,向柔性电视与高性能可穿戴电子又迈进了一大步。2018年,团队在解决了氧化物半导体领域世界难题“高性能p型氧化物匮乏”,研制成高性能p型SnO的基础上,实现了n型、p型氧化物半导体的互补集成,成功实现了低功耗CMOS电路包括反相器、各种逻辑门、环形振荡器、d-latch、1bit全加器等电子芯片研制,并实现了目前国际上集成度最高的100个薄膜晶体管的集成。这些为今后团队进一步构建柔性显示、柔性逻辑芯片、柔性传感器、电子皮肤等高性能柔性芯片奠定了坚实的基础。

山东大学微电子学院在宽带隙半导体材料和器件领域有着多年研究积累,并已具备良好研究基础。研究成果主要包括:(1)成功外延生长出Ga2O3和TiO2等单晶薄膜材料;(2)GaN 高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)研究中提出了极化库仑场散射理论,并将该散射理论应用于GaN 功率放大器线性度提升和器件物理建模取得明显成效;(3)在GaN 发光二极管(GaN LED)研究中,通过能带工程和应力调控优化GaN LED多量子阱材料结构提高器件的发光效率。近5年来,微电子学院在宽带隙半导体材料和器件领域承担国家和省部级科研项目10多项,发表SCI论文近100篇。

太赫兹技术是“改变未来世界的十大技术”之一,受到了国家政府的大力支持,是近年来国家重点、重大研究项目的热点,也是世界范围内电子科学与技术方向的前沿和热点。该方向承担了包括国家重点研发计划、军工973、国家自然科学基金面上和青年、山东省重点研发计划等诸多国家和省部级项目,实际项目到账经费1200余万元,发表了包括Nature Communications、Nano Letters、Carbon等诸多高水平国际期刊文章,申请了多项发明专利,并培养了多名青年教师和研究生。拥有频率高达220 GHz的矢量网络分析仪、频率高达750 GHz的信号分析仪、各种高频配套设备、相应的微纳加工设备线和ANSYS高频器件仿真软件包等,硬件和软件水平国内领先。

与国外高水平太赫兹技术团队相比,有些研究领域处于或者接近国际先进水平,但是总体而言,在人才、团队、设备、积累和成果等方面有着诸多的不足之处,需要再接再厉,迎头赶上。基于石墨烯的弹道整流器是目前世界上在室温下灵敏度最高的太赫兹传感器;基于多层电路的太赫兹无源器件和超宽带集成方向接近国际先进水平;研发的基于耿氏二极管的太赫兹信号源在工作频率方面落后于英国格拉斯哥大学,目前处于国际跟跑地位;可调控、可重构太赫兹电子器件也处于发展初期。

四、国内外技术发展趋势

1. 国内技术发展水平

目前,无论是山东还是全国,集成电路都是工业相对薄弱的部分,有能力进行研发的厂商主要在日美等国。即使是代工厂,也被欧美日及韩国、中国台湾的企业所垄断。新旧动能转换成为世界经济复苏繁荣的关键。全球金融危机爆发以来,世界经济进入长周期深度调整阶段,深层次结构性矛盾集中显现,潜在增长率持续下降,全球经济一体化进程曲折,面临诸多不确定性因素。同时,创新正成为全球经济增长的新引擎,新一轮科技革命和产业变革加速孕育、集聚迸发,特别是信息技术、生物技术、制造技术、新材料技术、新能源技术等广泛渗透到各领域,正在引发国际产业分工深刻变化,重塑世界经济格局。主要发达国家和新兴经济体纷纷调整发展战略,超前部署面向未来的创新行动,积极抢占发展制高点。

通过“核高基”等项目的支持,中国在集成电路芯片设计领域有了长足的进步。在一些领域如手机基带芯片(华为、展讯)、射频收发芯片(紫光锐迪科)、电源管理芯片、自主CPU(中科龙芯、天津飞腾)等有具有在特定市场竞争力的产品。但是,芯片的整体设计能力较美国等先进国家还有一到两代的差距,全面追赶既缺少具有丰富项目经验的领军人物、也缺乏能够从事具体开发工作的大批量的工程技术人员。另一方面、中国集成电路市场需求巨大,存在芯片产业成长的基础。因此必须汇集优势资源集中攻克关键芯片,以点带面,逐步实现集成电路芯片领域的由跟跑到并跑甚至领跑。

再如目前,国内 MEMS 产品门类依然相对较少,主要还是以惯性器件和压力传感器为主。 在芯片制造方面,中芯国际和华虹宏力均提供 MEMS芯片代工服务;在封测方面,长电科技、华天科技、通富微电、晶方科技等封测大厂也掌握相关 MEMS 封测技术,但都以传统塑封包封为主。对于MEMS传感器产品,一个产品,一套工艺流程,一种封装形式。MEMS传感器先进封装测试项目,既要对MEMS元件和其它MUC芯片进行保护,还要实现MEMS和外界接触,属于一种新型的先进封装工艺,主要针对压力、温度、湿度、流量、气体和生物等智能MEMS传感器进行封装生产,解决了MEMS传感器的面积小、重量轻、功耗低、成本低要求,是国内唯一一家专业从事此类MEMS传感器封装生产单位,在国内MEMS传感器领域已经拥有一定的知名度和品牌影响力。

典型地,北斗芯片国际上主要有SiRF、u-blox、联发科mtk国际技术领先的公司。美国的SiRF公司于1995年成立于美国加州,在发展迅速时年增长到300﹪,GPS芯片的出货量到达全球的70﹪。在2009年被一家英国公司收购后,由于我们国产芯片模块的快速崛起,逐渐淡出了芯片市场。瑞士的U-blox公司创建于1997年,先是使用其他厂商的GPS芯片设计生产模块,在手持设备市场也有一席之地。,台湾的联发科MTK是行业的后起之秀,异军突起抢占了低端手机和大部分移动终端市场。ST意法半导体等也在这一块有涉猎,但是发展不行。

北斗/GPS芯片分为射频和基带两大部分。西安航天华迅科技有限公司是中国第一家成功量产GPS导航芯片的企业。泰斗微电子科技有限公司参与了多项国家北斗相关标准的制定。泰斗微主要产品是北斗芯片、模块、高频头等。杭州中科微电子有限公司是中科院旗下的企业,他们在前期开发2.4G的射频芯片时积累了产品经验和客户。
北京东方联星科技有限公司是北方电子研究院的下属企业,研发生产了北斗导航模块和RTK高精度定位模块投放市场。和芯星通科技(北京)有限公司是一家专业从事高性能卫星定位与多源融合核心算法、高集成度芯片研发的公司。由于民用底层协议北斗和GPS等是互通的,博通、高通、MTK都把北斗导航定位功能集成到他们的主芯片,国内的华为海思Kirin、展讯等主芯片在功耗、定位精度、尺寸等方面有一定差距,但是在逐渐提高。山东大学北斗芯片研究方面已经量产了接收机芯片,进入了国内先进队伍。

再如FPGA市场前景诱人,但是门槛之高在芯片行业里无出其右。全球有60多家公司先后斥资数十亿美元,前赴后继地尝试登顶FPGA高地,其中不乏英特尔、IBM、德州仪器、摩托罗拉、飞利浦、东芝、三星这样的行业巨鳄,但是最终登顶成功的只有位于美国硅谷的四家公司:Xilinx(赛灵思)、Altera(阿尔特拉)、Lattice(莱迪思)、Microsemi(美高森美),其中,Xilinx与Altera这两家公司共占有近90%的市场份额,专利达到6000余项之多,如此之多的技术专利构成的技术壁垒当然高不可攀。而Xilinx始终保持着全球FPGA的霸主地位。

FPGA是一个技术密集型的行业,没有坚实的技术功底,很难形成有竞争力的产品。这也是FPGA市场多年来被四大巨头Xilinx(赛灵思)、Altera(阿尔特拉)、Lattice(莱迪思)、Microsemi(美高森美)基本垄断的原因。中心联合高云半导体在此领域处于国内领先水平。

山东大学微电子学院在柔性电子芯片的研究领域也走在国际前沿,其中关于高频柔性电子以及低功耗CMOS柔性芯片的研制达到了国际领先水平。2015年,山东大学微电子学院研制成了标志性的频率超过6.3 GHz的柔性a-IGZO二极管,超过了手机通讯、蓝牙、WiFi等的2.45GHz的基频,至今仍保持着世界上速度最快的柔性二极管的最高纪录 (Nature Communications, Vol.6, 7561, 2015)。2018年,山东大学微电子学院实现了氧化物半导体领域的一个突破——n型与p型氧化物半导体的互补集成,成功实现了低功耗CMOS反相器、各种逻辑门、环形振荡器、d-latch、全加器等电子芯片研制,这些为今后进一步构建柔性显示、柔性逻辑芯片、柔性传感器、电子皮肤等长期以来人们梦寐以求的电子产品提供了核心器件、电路与技术,在新型半导体电子产品的产业化进程中具有重大的意义与价值。

太赫兹技术通常被称为“太赫兹空白”,在世界范围内和我国都处于发展阶段,其核心原因之一就是缺乏高效率和高性价比的探测器和信号源。目前国内的高频信号源和探测器主要基于肖特基二极管倍频和整流的物理机制。但是肖特基二极管需要加工到纳米尺寸来降低寄生电容,相应的电极必须通过搭建极具挑战性的纳米空气桥引出,因此良品率低,难以大阵列集成,商业产品价格昂贵。受限于测量设备和器件加工精度,国内对高频天线和多层电路的研究主要集中在Ka波段(24-40 GHz)及以下,工作频率距离太赫兹有较大的距离。在超材料和表面等离激元器件方面,近年来国内发展迅速,如东南大学、天津大学等,但是这些领先的课题组很少将这些器件与石墨烯结合实现电可调控性和电可重构性。

近年来,太赫兹无线电子系统受到世界范围内的高度重视。其中,最接近商业应用的就是可用于人体安检的太赫兹成像技术。目前国内研发的该类技术大多采用雷达SAR成像的方法,需要对人体进行360°机械扫描,所以成像速度较慢,无法做到实时成像。太赫兹系统应用的另一个重要方面是太赫兹通信,国内研究该方向的课题组也比较少,研究频率相对低,主要是基本概念验证的研究,很少涉及到真正具有实用价值的频分复用技术和空间复用技术。

SiC方面,2000年初,国内研发机构山东大学晶体材料国家重点实验室、中科院物理所等开始了SiC单晶的研究工作。经过十几年的技术积累,国产SiC衬底的研发和产业正在高速发展。截止2015年,国内山东大学先后获得了6英寸半绝缘和N型SiC衬底材料,中科院物理所获得了6英寸N型SiC衬底材料。其他研发单位还有中科院上海硅酸盐研究所、中电集团46所等。在产业方面,国内最早从事SiC单晶研究的山东大学和中科院物理所已经实现产业化,分别成立了山东天岳和天科合达公司。凭借研发单位多年的技术积累,山东天岳和天科合达在国际市场崭露头角。除这两家产业化机构,从事产业化开发的公司还有河北同光晶体有限公司等。

GaN器件方面,中科院半导体所、西安电子科技大学等单位生长出了高质量的GaN基HEMT外延片;微电子所等单位制备出高性能的GaN基射频器件,中国电子集团13研究所等单位研制出覆盖C波段至Ka波段的多款军用GaN HEMT及MMIC,处于样品试制、试用阶段,GaN基HEMT射频器件最大频率176GHz,饱和电流1650mA/mm。。国内很多实验室实现了耐压超过1000V的GaN电力电子器件,但是整体性能还与国际水平存在一定差距。Ga2O3器件方面,中国科学院微电子研究所制备出了耐压超过200V,开态电流421A/cm2,开态电阻2.9mΩ·cm2的肖特基二极管。北京邮电大学制备出响应度43A/W,外量子效率2.1×104 %的Ga2O3基日盲紫外探测器。

单晶铌酸锂薄膜材料的开发和各类集成光电器件的研究:用于铌酸锂薄膜材料制备的物理方法有分子束外延法,磁控溅射法等。这些方法沉积的薄膜多为多晶态,当光在薄膜波导中传输时,存在晶粒间界多,散射大,损耗高的问题。我们采用国际最先进的离子注入和直接键合技术制备铌酸锂薄膜,制备的薄膜具有单晶性高、折射率对比差大,限光能力强的优点,正被广泛应用于各类光学器件研究中。

研发新一代高性能室温红外探测器:迄今为止,利用局域表面等离激元(LSP)增强光探测器件性能的研究主要集中在对可见光到近红外波段的探测。在国内,关于LSP在微纳光探测领域的研究同样也是集中在对可见光以及近红外波段光的探测。合肥工业大学的罗林保教授课题组利用金属纳米颗粒(Au、Ag、Cu)的LSP实现了基于一维纳米线及纳米带的高性能光探测器。中科院上海技术物理研究所的胡伟达教授及湖南大学的潘安练教授课题组在InAs纳米线上沉积一层金纳米颗粒,实现了室温下的纳米线近红外探测器。现今关于LSP在中远红外探测波段的研究很少,究其原因有二:①现有的广泛用于产生LSP的材料都集中于金属纳米颗粒(Au、Ag、Cu等)。即便是通过调控金属纳米颗粒的尺寸、形状及组装结构,也只能实现可见光到近红外波段的LSP共振。②实现全红外波段探测的半导体材料有限。中科院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室及中科院半导体所在InGaAs基红外探测器方面已经取得了丰富的成果。但是,InGaAs的红外探测范围只能到3.5μm。

2. 市场需求状况

中国集成电路芯片市场需求巨大,2017年集成电路进口额为1.7万亿人民币。基于手机的北斗/GPS芯片年需求量为5亿颗,柔性显示芯片、大屏幕LED驱动芯片年需求量上亿颗,卫星通信等高端芯片更为我国成长为新兴技术大国所必需。同时,“中兴事件”凸显了芯片的替代供给的必要性,在未来的三到五年,芯片领域将会出现海量的国产替代进口需求,按国产率三分之一计算,国内芯片五年后将形成一个年产值接近万亿的产业规模。例如北斗芯片和模块产业的现状,市场容量约5亿。这一块是竞争充分的市场。未来的发展空间,北斗芯片的消费品市场约在每年1000亿的量级,如手机、移动可穿戴终端等,也是是北斗和GPS决斗的主战场。

加之,2017年全球MEMS传感器市场规模约210亿美元,2019年市场规模预计将突破250亿美元。从市场区域来看,美国欧洲市场份额趋于下降。美国地区市场份额保持稳定,仍是全球高端技术及产品的重要发源地,欧洲受到债务危机以及汽车工业下滑的影响,市场份额略有下降,但是以德国、荷兰、法国、瑞士为代表的欧洲国家MEMS传感器加工产业发展迅速。亚洲的日本、韩国、台湾地区则在平板电脑以及智能手机市场的带动下,市场份额不断上升,市场地位不断提升,其中尤以中国市场的作用不容忽视。未来三年,在中国3C产品、汽车电子、医疗电子等产品产量继续保持稳定增长,特别是以智能手机和平板电脑为代表的3C产品快速增长的带动下,以及移动可穿戴产品的异军突起对MEMS传感器的庞大需求,中国MEMS传感器市场规模有望进一步扩大。

柔性电子芯片是促使物联网、可穿戴电子等真正普及所需要的最核心技术。据权威机构预测,在2018年柔性电子产业全球市场值469.4亿美元,预计到2028年可以达到3010亿美元,2011年到2018年年复合增长率近30%,处于长期高速增长状态,说明柔性电子市场的增长潜力巨大。其中,可穿戴智能电子等柔性电子近年迎来爆发式地成长,被认为是成为继智能手机之后未来移动智能产品发展的主要趋势。Strategy Anaytics机构预计,2018年全球可穿戴设备出货量将超过1.5亿支,市场规模达190亿美金。Allied Market Research预计到2020年,可穿戴电子市场将达250亿美金。我国是电子产业大国,但不是技术强国,柔性电子是我国争取电子产业跨越式发展的机会,柔性电子具有广阔市场,市场规模迅速扩张,可成为国家支柱产业。

SiC的电力电子器件市场已在2016年正式形成,市场规模约在2.1亿~2.4亿美金之间。而据Yole最新预测,SiC市场规模在2021年将上涨到5.5亿美金,这期间的复合年均增长率预计将达19%。目前,全球有超过30家公司在电力电子领域拥有SiC、GaN相关产品的生产、设计、制造和销售能力。2016年SiC无论在衬底材料、器件还是在应用方面,均有很大进展,已经开发出耐压水平超过20KV的IGBT样片。

太赫兹成像技术无需机械扫描,有望解决这一难题。频分复用技术可以将一个宽带信号分成多个小频段在不同的通路中传输,实现不同频率不同通道的多功能特性,进而大幅度的提高数据传输速率,在传统通信波段(2-10 GHz)的超宽带系统中有着广泛应用,如IEEE 802.16和IEEE 802.15.3A,并可以用于多频段和超宽带雷达系统对不同频率进行分离。FCC和IEEE 802.11ad已经将第五代移动通信(5G)的候选波段定为60、74、84和94 GHz,但是目前尚未有可以在这些频段工作的频分复用器被报道。正在研发的频分复用技术非常有希望在5G频段实现频分复用技术。太赫兹和毫米波技术是军用雷达发展的必然趋势。传统的机载天线伺服系统由于体积大和质量重,造成雷达散射截面大而且武器负载性能差,严重影响了飞机的隐身性能和气动性能。为了减小系统的体积和重量,太赫兹技术及其对应的多层电路技术和高集成度封装技术开始被应用于军用电子系统。传统雷达系统主要设计在微波低频段,其灵敏度先天受到较长波长的限制。此外,现阶段针对雷达的“隐身”材料也往往设计在这一频率范围,这些材料大多基于超材料的结构,具有窄频带的特性,无法真正做到全频段隐身。为了提高雷达系统的灵敏度和对针对传统雷达的“隐身”目标的监测能力,工作频率远高于传统雷达频段的太赫兹雷达受到了世界范围内的广泛关注。

光电器件及应用集成:①致力于单晶铌酸锂薄膜材料的开发和各类集成光电器件的研究:铌酸锂单晶薄膜材料是制备各类光电器件的衬底材料,处于光电元器件产业链上游。目前国内外已有210余家企业及科研机构应用铌酸锂薄膜材料开发滤波器、传感器等光电器件产品。随着新型元器件产品不断出现和量产,铌酸锂薄膜材料产品的需求量也会不断上升。②研发新一代高性能室温红外探测器:我国的半导体技术起步较晚,跟欧、美、日等发达国家相比还有很大的差距,目前也尚无可与国外相竞争的红外探测器产品问世。通过研究中心平台的协作,预期研发出替代HgCdTe的新型高效红外探测器产品,直接打破国外对我国多年的技术封锁,制造出与国外产品相抗衡的自主产品,并引领国际未来半导体红外探测的发展方向。

3. 从事本技术领域研究、开发和设计的优势单位及水平比较

山东省对集成电路的发展非常重视,很早就认识到集成电路在现代信息产业中的基石及支柱作用。集成电路设计业属于知识密集型行业,投资少见效快,且风险可控,是集成电路领域的明星方向。山东大学微电子学院研发的北斗二代卫星定位芯片于2015年实现量产,导航模块年销售50万块;团队成员研发的LED驱动芯片也实现了30万片的市场销售;作为山东省集成电路产业创新联盟的理事长和秘书长单位,山东大学微电子学院积极与省内的集成电路设计公司进行技术和人才合作;联暻半导体(山东)成功设计了基于台联电14nm工艺的ARM Cortex-A57移动计算芯片;高云半导体成功研发了数款中小规模的FPGA芯片,成为国内FPGA行业的领跑团队;人工智能芯片创业公司领能科技正在研发的芯片突破传统DPU结构,采用创新系统架构和加速策略,研究优化模型,设计实时、低功耗的专用DPU来加速嵌入式系统的深度学习计算具有重大的科学意义。山东大学微电子学院和合作单位组成的技术团队在集成电路芯片设计方向上的技术水平为省内领先,国内先进。

目前,欧美、日韩等先进国家和我国等都将柔性电子技术视为未来电子产业发展的革命性解决方案,投入大量的相关研究开发工作。其中美国斯坦福大学鲍哲南教授团队在基于有机半导体等的柔性可伸拉电子方面作出了出色的贡献,首次实现了具有高度拉伸性的晶体管阵列和电子运算电路。韩国日本(以三星为代表)在柔性OLED显示及驱动产品(手机屏幕和电视等)取得了巨大成功。我们团队的柔性电子和显示屏已具备生产能力,其中调试成功的卷对卷印刷技术达到国际领先水平。

从目前国际上主流的量产制备大尺寸SiC晶体的方法是PVT法,美国、日本和欧洲从事SiC制备公司的装备和温场设计等都各有核心技术。截止2015年, Cree、DowCorning和II-VI等国际衬底供应商都可以制备6英寸 N-type SiC衬底材料。此外,日本的一些研究机构采用液相法(LPE)制备了低缺陷密度的SiC,欧洲的Norstel公司和意大利的一些研究机构采用高温化学气相传输(HTCVT)法制备了高纯度的SiC晶体。目前国内的研究机构和产业化公司采用PVT法制备SiC晶体,掌握了4英寸SiC晶体成套技术,并突破了6英寸SiC晶体制备关键技术,为6英寸SiC晶体的产业化奠定了基础。

GaN基射频器件方面,西安电子科技大学制备的GaN基HEMT射频器件最大频率110GHz,峰值跨导415mS/mm,饱和电流1096mA/mm。中国电子集团13研究所制备的InAlN/GaN HEMT最大频率达到176GHz,饱和电流1650mA/mm。南京大学和中国电子集团55研究所联合,采用InAlGaN四元势垒结构,制备出GaN HEMT射频芯片,最大频率203GHz,饱和电流1940A/mm,功率密度2.75W/mm。开关器件方面,中国科学院苏州纳米所使用低压化学气相沉积生长的Si3N4作为栅介质层,实现了Si衬底上GaN基HEMT开关器件击穿电压达到1162V,关态漏电7.7×1012A/mm,开态电阻2.88mΩ·cm2。中国科学院微电子所设计了超薄势垒结构,实现了增强型HEMT器件,开启电阻0.75Ω,最大工作电流6.5A。山东大学研究了极化库伦场散射对GaN基HEMT器件性能的影响。Ga2O3器件方面,中国科学院微电子研究所制备出了耐压超过200V,开态电流421A/cm2,开态电阻2.9mΩ·cm2的肖特基二极管。北京邮电大学制备出响应度43A/W,外量子效率2.1×104%的Ga2O3基日盲紫外探测器。

在太赫兹方向的国内优势单位包括:由成都电子科技大学牵头的在太赫兹/毫米波信号源和探测器方向有着丰硕成果的“太赫兹科学协同创新中心”,在太赫兹成像和物质检测方向领先的上海理工大学庄松林院士团队,在毫米波多层电路和天线方向领先的东南大学毫米波国家重点实验室,在太赫兹超材料方向领先的东南大学崔铁军教授团队和天津大学张伟力教授团队,在太赫兹探测器方向领先的苏州纳米所秦华研究员团队,在太赫兹表面等离激元方向领先的北京大学刘濮鲲教授团队,在太赫兹人体安检仪产品研发中领先的同方威视和华讯方舟等。

与这些成熟的团队相比,中心成立时间较晚,在人才、资金、项目等方面相对薄弱,但是我们的研究有着领先的领域和独到之处。我们研发的基于石墨烯的弹道整流器是目前室温下灵敏度最高的太赫兹传感器,其等效噪声功率只有0.64 pW/Hz1/2,这一数值与低温下的超导热点传感器相当(Nature Commun., 7(11670), 2016)。基于该器件,我们首次将基于石墨烯的太赫兹探测器应用于太赫兹成像系统(Nano Lett., 17, 2017)。我们研发的耿氏二极管信号源在100 GHz附近实现了0.88 mW的输出功率,在国内同类器件中处于领先地位;我们的毫米波多层电路技术和基于柔性电路的超宽带system-on-package(SOP)集成技术在国内也处于领先地位;我们正在研发的与新型二维材料石墨烯结合的太赫兹超材料和表面等离激元结构,充分利用了石墨烯的电调控特性,可以实现动态调控和重构,与国内优势团队的研究相比也具有独到之处;我们正在开发的太赫兹成像系统基于焦平面成像技术和大型二维探测器阵列,与国内优势团队的技术相比成像速度更快,可以实现10帧每秒的实时成像。

光电器件及应用集成:①致力于单晶铌酸锂薄膜材料的开发和各类集成光电器件的研究:本单位是全球领先的能够生产大尺寸纳米厚度铌酸锂单晶薄膜材料的单位,研制的薄膜厚度在200 nm-1000 nm, 晶圆尺寸可达6英寸,市场占有份额达80%。在器件设计方面,先后研制成功了各类低损耗波导、电光调制器、光栅耦合器等,器件性能处于国际先进水平。②研发新一代高性能室温红外探测器:该研究方向依托2017年立项的国家科技部重点研发计划“量子调控与量子信息”重大专项青年科学家项目,在三五族窄带宽半导体表面原位生长LSP 纳米结构直接构建异质界面更利于“热电子”有效穿透界面势垒、减小表面能级的钉扎,有望增强光电流并抑制暗电流,实现高性能室温中远红外探测器件,引领国际未来半导体红外探测的发展方向。

4. 与国外比较的差距

以美国硅谷芯片公司、韩国三星为代表的国外集成电路企业是集成电路产业的源头和发展的主要推动力。国外的集成电路产业已经形成技术开发与经济回报的稳定正循环,集成电路性能优异、种类齐全,在世界范围内具有压倒性优势,国内芯片无论在性能还是成本上均不具有竞争优势。国外CPU、FPGA、DRAM等主流芯片设计已经达到7纳米量产水平,国内还停留在14纳米、28纳米等工艺节点,设计水平有1.5代以上的差距。

我国设计业水平基本与国外同步,但很多关键芯片几乎全部进口,工艺技术进步严重滞后。总体来看,中国集成电路产业无论在设计、制造还是封装环节等,均与国际先进水平存在着较大差距。根据中国半导体行业协会集成电路设计分会的统计,2013年中国IC设计行业全年收入为874.48亿元,约合142亿美元,比上年增长28.51%,占全球集成电路设计业的比重约为16.73%。2013年全年共有124家IC设计企业销售额超过1亿元,134家企业销售额5000万元~1亿元,177家企业销售额在1000万元~5000万元之间,196家企业销售额小于1000万元,赢利企业409家,不赢利企业223家,前100名设计企业的平均毛利率为30.59%,前10大设计公司的平均毛利率为39.55%。虽然设计水平基本上与国外同步,达到了28nm,但是很多关键芯片,如桌面、便携式计算机、高性能服务器、高端网络设备用芯片几乎全部为进口。

中国芯片制造业发展状况,根据中国半导体行业协会的统计,制造业2013年全年收入达到600.86亿元,略少于100亿美元,比上年增长199.9%。其中本土企业总收入为266.6亿元,占中国10大芯片制造企业(含外资)全部收入454.1亿元的58.7%,占中国整个芯片制造业收入的44.37%。中国芯片制造业现有产能与市场需求方面存在的差距巨大,工艺技术进步严重滞后。在先进工艺方面,具备先进制造技术(40nm以下线宽)的仅有中芯国际1家,技术水平与国际先进水平相差3-5年。在产能方面,全部12英寸月产能不到5万个硅圆片。

即使是封装行业,中国企业与国际先进水平依然存在差距。根据中国半导体协会统计,中国大陆封装业2013年全年收入为1098.85亿元,约合180亿美元,比上年增长6.1%;其中本土企业总收入为190.6亿元,占中国10大封装企业全部收入442.9亿元的43.03%,占整个封装业收入的17.35%。具备先进封装技术(3维封装)的仅江苏新潮科技1家。中国至今尚无法制造超过1200个以上Bumping引擎的高密度集成电路封装,技术水平与国际上相差5年以上。

目前,欧美、日韩等先进国家和地区都将印刷电子技术视为未来电子产业发展的革命性解决方案,投入大量人力物力进行相关材料、器件、工艺技术与设备的研究开发,以拓展印刷电子在通讯、器件、工艺技术与设备的研究开发,以拓展印刷电子在通讯、新能源、信息显示、RFID、各类传感器等民用和军事领域的应用。目前,柔性电子芯片技术是我国在电子芯片产业发展难得的历史性机遇。其一,在该技术领域世界上还没有一个国家和地区拥有绝对技术优势,其二,其生产设备(印刷电子技术、新型纳米压印等)的投资远远低于传统硅芯片生产所需的投入,仅需几十至上百万美元的投入即可以超低价格进行生产。目前,关于柔性芯片技术的基本发展状况是:韩国日本(以三星为代表)大力推动柔性OLED显示产品(手机屏幕和电视等)并取得了巨大成功,在柔性显示领域处于相对先进水平,在非显示柔性芯片领域并未有明显优势。美国主要还是继续巩固发展其领先的硅芯片产业。欧洲(主要是英国和德国)虽然侧重柔性印刷电子芯片技术,但困于资金、市场规模小、社会保守、更新缓慢等问题,发展后劲不足。可见,当前国际柔性电子业的布局状况也给中国在柔性电子芯片领域的腾飞带来难得的机遇。

国外在宽禁带器件的研究方面技术领先,根据公开的文献资料,SiC衬底四胞合成总栅宽为144mm的L波段功率放大器,工作电压为65V时,输出功率大于500W。采用源终端场板技术制作成功栅宽36mmSi衬底GaN基HEMT,漏压偏置为60V,频率为2.14GHz时输出功率高达368W。采用内匹配技术,双胞28.8mm×2GaNHEMT放大器,器件采用了栅终端场板与源终端场板相结合双层场板结构,Vds=55V,3.45GHz时器件峰值输出功率为550W,漏极效率为66%。国内技术水平较国外有一定的差距,较高水平是在X波段实现输出功率14W,功率附加效率达到23%。

SiC方面,通过以上国内外情况对比,现阶段国内的研究和产业虽然获得了很大突破,但是仍有很多的问题急需解决,如衬底直径仍然以4英寸为主、微管和缺陷密度较高等,从而限制了国产SiC衬底在国内和国际市场的份额及应用。山东大学的SiC研发基地虽然解决了4-6英寸单晶生长和加工的关键技术,但是目前技术成熟度低,目前的工艺线是3英寸线,可以兼容4英寸,但是6英寸加工和测试线设备尚不完备。距离工程化的水平还有差距,仍需加大设备投入。

GaN 方面,GaN射频器件具有更高的工作频率、更大的功率密度以及耐高温耐辐射等优点,在军用雷达、相控阵天线、卫星通信、民用5G移动通信等领域有很好的应用前景。2017年底,GaN射频器件市场达到3.8亿美元,法国公司Yole的报告中预测GaN射频器件市场复合年增长率将达到22%,2023年底,RF GaN(射频氮化镓)市场总规模将增长3.4倍。GaN基功率开关器件在电源逆变器、马达驱动等领域也有巨大优势,Yole预测到2020年,整体市场规模可能达到6亿美元。

在美国国内有数十所大学都在从事THz的研究工作,特别是美国重要的国家实验室,都在开展THz科学技术的研究工作。美国国家基金会(NSF)、国家航空航天局(NASA)、能源部(DOE)和国家卫生学会(NIH)等从90年代中期开始对THz科技研究进行大规模的投入。如航天飞机表面隔热材料THz成像检测系统、THz 雷达、安检系统、环境监测设备等。欧洲的一些国家相继建立THz 科学研究机构,已取得了较大进展。英国的Rutherford国家实验室,剑桥大学、里兹大学、Strathclyde等十几所大学,德国的若干所大学,都积极开展THz研究工作。欧洲国家还利用欧盟的资金组织了跨国家的多学科参加的大型合作研究项目。在俄罗斯国家科学院专门设立了一个THz研究计划,IAP,IGP及一些大学也都在积极开展THz研究工作。日本于2005年公布了日本国十年科技战略规划,提出十项重大关键技术,将THz列为首位。东京大学、京都大学、大阪大学、东北大学、福井大学以及各公司都大力开展THz的研究与开发工作。特别在THz通信方面取得了重要进展,研发出120GHz 毫米波无线通信系统和300GHz~400GHz的无线通信系统。

在底层的光器件以及光芯片领域,中国无论是光无源器件还是光有源器件,高端的关键芯片技术仍然掌握在外国公司手中,使国内的高端器件生产受到严重制约。在世界排名前十的光器件厂商中,中国只有光迅科技一家入围,位居第五,整体实力与国外巨头相比有较大差距。在高端高器件上,中外差距尤为明显。近年来中国大规模建设100G网络,将100G商用提到了更高的层次,并正式开启了100G市场未来的“黄金十年”。根据OVUM发布的报告,100G光设备在2013年全球销售收入就已经超过10G和40G光设备,达到24亿美元;2018年将达到67亿美元,超过10G和40G光设备总和的两倍。在100G光器件领域,中国厂商供应商占比很小。在短距离100G市场,有光迅科技、旭创科技、海信宽带等中国供应商,长距离产品市场巨大,国内几乎空白。在芯片领域,制造100G CFP光模块的核心——25G电吸收调制激光器(EML)芯片,国产率为零,而EML芯片在整个光器件和光模块的制造中占大比重。目前EML芯片供应商主要有德国的HHI,美国的Neophotonics和日本的Sumitomo。国外已经有光器件巨头购并电IC厂家强化领先优势,但中国还没有很好的电IC厂家。


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