国家的财富：英国的国家外延设施

采访者： Richard Stevenson, CS 杂志编辑

英国国家外延设施的主任Jon Heffernan讨论了该设施的职权范围、它的专业性以及它对 材料和器件研发的贡献。

RS: 国家平台是什么时候成立的，还有为什么要成立？

JH: 它开始于1979 年，所以我们已经有40 多年的历史了。该设施的目的是为英国各地的研究人员提供外延材料，主要用于英国资助的研究基金，但我们也与企业有合作。

我们的想法是，在英国有很多人从事做半导体研究，但他们并不都有外延设施。外延是一项昂贵的技术，它需要丰富的经验才能在最高水平上运作并生产出最高质量的半导体。因此， EPSRC[ 工程和物理科学研究委员会] 多年来一直资助该设施。它是国家研究设施网络的一部分， 其中大约有十个是卓越中心。

我们每五年更新一次。作为更新的一部分， 有所谓的需求声明咨询。我们和英国的社团交谈， 询问他们对这样的设施有什么需求。我们把这些信息汇总起来，然后由EPSRC 审查。竞争激烈的呼声要求有人经营这样的设施，并提供社团需要的东西。因此，我们与社团正在寻找的东西非常融合。

RS: 该设施不仅仅是谢菲尔德（Sheffield）的能力？

JH: 我们有两所合作大学，剑桥大学和伦敦大学（UCL）。这些合作伙伴提供专业材料。我们提供广泛的III-V材料：砷化物、磷化物、锑化物；剑桥大学提供氮化镓材料；UCL提供IV族和硅基III-Vs。

我们也有一个联盟设施，以提供少量的初始材料来帮助支持资助提案。我们特别希望支持新讲师。这将帮助他们获得第一笔赠款。

我们现在正在将材料扩展到更广泛的范围，如二维材料、氧化镓。这不是谢菲尔德自己能做的，因为要探索所有这些新材料，需要更多的新反应器，或者需要在现有反应器上使用可能不兼容的材料。

RS: 这些年来最大的亮点有哪些？

JH: 我们跟踪和支持了许多不同技术领域的发展。我们积极参与了激光通信和互联网的工作。

量子技术在全球是一个非常大的领域，在英国也是非常受关注的领域，包括国家量子技术计划。谢菲尔德在过去20年左右的时间，一直在半导体量子光子学的许多方面进行开拓。

我们一直处于开发量子点的最前沿，使其能够用于量子技术的应用。我们与东芝公司合作，利用基于量子点的纠缠光子发射器进行量子通信，取得了一些非常开拓性的成果。我们最近还从谢菲尔德分出了一家从事单光子源研究的公司，名为Aegiq。

另一个有趣的新兴领域是环境感知；特别是使用包括激光器在内的中红外器件。这些类型的激光器，特别是量子级联激光器，生产起来非常具有挑战性。谢菲尔德大学是世界上第一个通过MOCVD证明这类量子级联激光器生长的研究小组。这在制造用于工业应用的此类器件方面是一个很大的突破。

我们有一些大型的项目在研究中红外光谱学的应用，同时使用激光器和探测器。我们是EPSRC未来光子学制造中心的核心合作伙伴。在EPSRC的资助下，有40多家公司与我们合作。同样，我们一直在研究中红外应用的器件的可制造性。

我们的合作伙伴在硅上生长III-V族激光器方面做了非常开创性的工作。他们已经证明了长寿命，与商业化兼容。

剑桥大学多年来一直在研究氮化镓，并取得了许多突破性进展。最近，他们一直在研究一种叫做多孔氮化镓的技术。这对于显示技术来说非常有趣，例如用于虚拟现实显示。他们分拆出了一家名为Porotech的公司，吸引了大量的投资。

RS: 您在学术界和工业界工作的时间怎么分配？

JH: 很难说比例是多少，因为多年来它一直在变化。我可能会说大约 20% 的时间在工业界，80% 的时间在学术界。

我们主要的职能是支持学术研究。它的工作方式是，有人向EPSRC申请资助，如果他们没有自己的外延设施，他们就会来找我们，讨论他们的需求。如果基金得到资助，我们将为该基金提供外延。

我们与工业界合作，因为从本质上讲，该设施并没有完全被学术研究占用。由于使命的影响，我们也有责任与工业界合作的。对英国来说，公共资助的研究确实会产生影响，这一点非常重要，这意味着对现有工业部门或创办新公司的影响。

RS: 外延生长技术越来越成熟，系统也越来越容易使用。那么，建立国家平台的理由是否正在减少？

JH: 绝对不是。实际上恰恰相反。

目前，英国政府正在密切关注对半导体行业的投资，并在过去一年半的时间里进行了非常广泛的咨询，包括与我们的咨询。现在很多政府都清楚半导体有多重要--供应链问题和各种地缘政治问题已经突出了这一点。美国政府刚刚宣布了CHIPS法案，对半导体技术进行了2800亿美元的投资。欧洲已经有了自己的CHIPS法案，预计英国政府将很快宣布其计划。

人们已经认识到，从经济影响的角度来看，半导体是非常重要的。一般来说，半导体，尤其是III-V族，可以给我们带来源源不断的惊喜。如果你跟踪我们在过去40年里所做的工作，你可以看到新技术一直在发展。我们可以利用很多物理资产。

外延不是静止的，也不是非常成熟。即使是经典的III-Vs，如磷化铟、砷化镓和锑化物。它仍然非常具有挑战性。我们在锑化物方面拥有很强的专业知识，主要是通过MBE 生长。通过MOCVD 生产的锑化物还很不成熟，但我们正在开发它。还有很长的路要走。在 III-V 族和 IV 族外延中仍有许多领域几乎完全开放。

仍然有很多人需要我们的东西。除非有实际需求，否则EPSRC 不会资助我们。此外，如果你从更广泛的角度来看半导体行业正在发生什么，需求和机会都在与日俱增。

RS: 英国有一些大学，如兰卡斯特和诺丁汉大学，都有自己的外延工具。对于某些研究领域-- 可能是对深奥的异质结构的详细研究-- 一个研究小组拥有自己的工具是否有意义？

JH: 当然。我们拥有的设施并不是要成为英国唯一的外延设施。我们的设施之所以这样设置， 是因为有一些团体拥有自己的外延，并在寻求新材料或外延技术。

其中一些大学将投入大量的资金来追求外延技术。这是一项昂贵的技术，需要对此做出真正的承诺。

例如，如果你是英国另一个地区的研究人员， 并且对新激光器有一个有趣的想法，你实际上很难去找大学并要求他们做这种工作，尤其是在供应的基础上。如果你想这样做，你真的需要与这些团体合作，这意味着你必须要撰写联合赠款等， 并且必须适当地参与外延方面的工作。

这个设施的理念是，研究人员可以来到该设施并获得外延材料作为研究服务。显然，了解他们想要做什么后，我们会为他们提供建议并与他们合作，但他们不需要制定长期合作计划，撰写联合赠款并参与外延本身的战略议程，就可以获得需要的材料，这就是该设施的价值。

如果你看看这些数字，你就会发现英国有很多人对半导体器件感兴趣。那些现有的外延团体无法满足这一需求，当然也无法提供我们刚才描述的研究服务。

我们与英国的外延团体有着非常互补的作用。他们是这个群体的一部分。我们经常帮助他们并向他们提供建议-- 还有那些想与他们合作的人。我们前面描述的联盟设施是一个很好的例子。我们现在有大约六或七个团体将通过联盟设施提供材料。他们可以自己做，但该设施在群体中有非常好的网络。我们对如何有效地管理联盟活动， 从而取得良好的效果有着长期的经验。

RS: 这种国家平台的模式是否在其他国家也有复制？

JH: 没有。可能有几个大集团拥有生产多种材料的多种外延工具。在美国，像圣巴巴拉这样的地方有一些，欧洲也有几个。但这种外延模式是独一无二的，在这种模式中，我们向广泛的学术界提供材料。

我们有一个有很多国际成员的指导小组。他们一直认为这种模式非常有价值。他们谈了很多他们如何有兴趣在自己的国家实施它。这实际上是一个非常好的模型，EPSRC 已经运行了很多年。

RS: 你们曾经在海外提供材料吗？

JH: 有时。同样，这又是一个能力问题：我们是否有能力提供核心功能之外的材料？一般来说，我们倾向于与英国公司在这方面进行合作。经常有人咨询，最典型的是来自欧洲，例如，我们已经为德国的弗劳恩霍夫（Fraunhofer） 做了一些工作。 在斯特拉斯克莱德（Strathclyde ）也有一家弗劳恩霍夫（Fraunhofer），我们通过一些赠款与之合作。

RS: 您能解释一下该设施的资金来源吗？

JH: 基本上是由EPSRC 提供整笔拨款。我们的资金来源是所谓的80-20 模式，这意味着80%的资金是为了资助该设施的存在-- 雇佣的工作人员和保持设施的可用性。该设施的其余费用，即20%，是通过用户赠款提供的。

在谢菲尔德的EPSRC国家外延平台的两名关键成员：Ian Farrer（左），半导体外延和材料高级讲师；和MBE集团负责人Edmund Clarke（右）。资料来源：Laure Divisia。

这实际上是一个很好的模式。它激励我们走出去，与社团紧密合作，以便拥有用户。

我们正在支持大量的补助金。我们通常与英国各地约25 所大学合作。我们通过了ISO9001 认证。这有助于我们与行业紧密合作。

RS: 你们拥有的工具包括那些用于MOCVD 和MBE 的工具吗？

JH: 是的。在谢菲尔德（Sheffield），我们有三个MBE-- 我们可以称之为四个，因为我们有一个多室系统-- 和三个MOCVD 反应器。剑桥大学有两个用于氮化物的MOCVD 反应器，而UCL 有三个MBE 反应器。因此，总的来说，有12 个反应器。我们没有HVPE。

RS: 在这十二个系统中，有没有你们无法外延的材料系统？

JH ：我们整个联盟的重点是III-Vs 和IV 组。我们基本上可以完成所有的III-V 族；在谢菲尔德， 我们可以制作砷化物、磷化物、锑化物，以及诸如稀释氮化物和双金属化物这样的新型材料。剑桥大学制作氮化镓，这是其他III-V 族材料；UCL 正在制作IV 族材料。我们不生产 或氧化镓等材料，但这些可以通过我们的联盟合作伙伴提供。这也包括你可以探索的一系列二维材料。

为什么我们不制作这些材料？一个原因是，当我们做社团咨询时，大多数人都在寻找III-Vs 或IV 组。那是最大的需求。当然，人们对其他材料感兴趣， 现在英国国也有一些团体在生产这些材料，但他们还没有达到真正应该通过设施模式提供的程度。新材料需要很多努力。在材料方面取得突破之前，你最终会走很多弯路，所以像我们这样的中心设施要提供各种新材料将非常困难，而且非常昂贵。通常情况下，你还需要专用的反应器，因为你有各种材料的不相容性。哪里会有用户来支持这些反应器呢？

我们已经与社团、相关的外延团体、EPSRC 和指导小组进行了讨论。在新材料方面，该设施可以发挥作用：支持这些新材料的开发，直到它们达到成熟点，在英国有足够多的用户可能需要中央设施。

对于像氧化镓、 或某些II-VI 材料这样的材料，可能五年后，英国有很多人在研究这种技术，因此通过中央设施提供这项技术在学术和财政上都是有意义的。但在这些材料方面，我们还没有达到那个地步。投资一个中央设施来提供大量的材料是有风险的，其中一些材料没有用户来实际开发研究。

RS: 你们是如何鉴定产业化材料？

JH: 我们在三个机构中都有广泛的表征设施。有一套核心的表征技术，实际上是我们ISO9001 的一部分，它确保我们交付的东西符合用户的规格。例如，我们将始终对材料进行X 射线测量，以检查材料的质量是否良好。我们总是做Normarski 来检查表面质量是否良好。这些迹象表明外延品质是否有效。针对光学器件，我们将进行光致发光，因为我们需要看到光确实出来了。我们有各种基本材料所需的表征技术。

我们没有的是一些更先进、更专业、更昂贵的表征技术，例如先进的透射显微镜。但我们将这种工作外包。

拥有设备是一回事。我们也有40 年的材料表征经验。这是该设施的一个重要部分。这不仅仅是我们的外延能力；我们对材料的知识以及我们对如何表征和理解它们的知识是非常有价值的。我们经常会遇到一些用户，他们对自己所要求的内容理解很差。例如，人们可能想组合材料， 但他们甚至没有想过晶格匹配。所以我们对材料的了解对用户来说也非常重要。

RS: 你们材料交付需要多长时间？

JH: 这取决于材料的复杂性。我们主要支持获得资助的人，所以我们所有的工作都经过同行评审。人们来到我们这里寻找材料，然后我们给他们一个报价，这将用于他们的资助。如果赠款得到资助，我们将提供材料。

我们正在做新的研究；我们不提供现成的材料，因为那不是我们的职责。

如果有人寻找现成的材料，我们会鼓励他们寻找商业供应商。通常情况下，我们必须在三个月内交付所要求的晶圆。

其他一些项目是真正推动材料开发或推动器件概念的。这可能需要更长的时间，通常是几个迭代周期。虽然我们是一个研究服务机构，但我们有效地协同工作。用户需要与我们合作，了解限制和约束等等。在将最终产品交付给用户之前， 我们会做很多的特性分析。

RS: 对于工业界使用的晶圆，你们能否支持到原型生产？

JH: 我们可以，但我们在这方面的主要制约因素是数量。我们不生产工业批量的晶圆。我们可以，但这将需要设施的容量。

我们可以生产高TRL 的晶圆，如果这是你所指的，就原型而言。当然，我们已经生产出了用于该领域的激光器，部署在各公司的系统中。但我们的首要任务是为学术研究人员提供服务。

虽然EPSRC国家外延设施可能因其MBE而闻名，但它也有MOCVD工具，包括两个Aixtron反应器。资料来源：Zofia Bishop

涉及英国国家外延设施贡献的近期研究亮点

"A prototype AlInP electron spectrometer", M.D.C.Whitaker et al. Planetary and Space Science 205 105584, (2021)

使用AlInP 光电二极管开发粒子计数电子光谱仪，适用于仪器会受到高温和强辐射的空间科学任务。

"Continuous-wave quantum dot photonic crystal lasers grown on on-axis Si (001)", T. Zhou et al. Nature Communications, 11 977 (2020)

III-V 薄膜光子晶体激光器单片生长在 CMOS 兼容的硅基板上，用于片上光子网络。

“Quantum interface of an electron and a nuclear ensemble”, D A Gangloff et al. Science 364 (2019)

利用与电子的相互作用对量子点中的核自旋进行相干操纵，为开发长寿命固态量子存储器的接口奠定了基础。

“High Purcell factor generation of indistinguishable on-chip single photons”. F Liu et al. Nature Nanotechnology 13 835 (2018)

通过将量子点放置在光子晶体腔中来生成具有高不可分性的单光子，这会大大缩短量子点中载流子的辐射寿命，从而实现了具有极高重复率的片上单光子源。

“A quantum LED for the standard telecom window around 1550 nm”,T. Müller et al. Nature Communications 9 862 (2018)

演示了在1550 nm 电信窗口周围发射单光子和纠缠光子对的发光二极管，用于长距离基于光纤的量子通信和密码学。

“Wafer-scale Fabrication of Non-Polar Mesoporous GaN Distributed Bragg Reflectors via Electrochemical Porosification”, T. Zhu et al. Scientific Reports 7 45344 (2017)

使用新颖的电化学多孔化步骤演示由非多孔和多孔GaN 层形成的非极性GaN 分布式布拉格反射器，该步骤允许在晶片规模上实现DBR 结构。

n “Phase-locked indistinguishable photons with synthesized waveforms from a solid-state source” C. Matthiesen et al. Nature Commun. 4 1600 (2013)

显示了如何使用共振荧光技术控制来自量子点的无法区分的单光子的波形。支持各种量子技术应用。

• 10月17日14:00，即将举办“高可靠性GaN功率器件推动太阳能、DC/DC转换和电机驱动的创新应用”主题会议，诚邀您踊跃参与云上知识盛宴：https://w.lwc.cn/s/7r6jea
• 11月1日-2日，雅时国际商讯联合太仓市科学技术局即将举办“2023 先进技术及应用大会”。诚邀您相聚江苏太仓，筑创产业新未来。听众注册：https://w.lwc.cn/s/yqMZ7f