基于CiteSpace的第三代半导体研究可视化分析

曲 磊, 程新华, 李安丽

(1.山西省科技情报与战略研究中心, 太原 030024; 2.山西转型综合改革示范区政策研究中心, 太原 030032)

电子信息科技产业的蓬勃发展驱动了半导体材料与技术的不断创新。第三代半导体材料是指氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等带隙宽度明显大于硅(Si)和砷化镓(GaAs)的宽禁带半导体材料,主要应用于射频器件、功率器件、新能源汽车、射频通信、激光器和探测器、半导体照明等新兴领域。为促进第三代半导体产业发展,国内学者从不同角度对第三代半导体材料、第三代半导体产业发展进行了诸多研究。郝跃[1]概述了半导体材料的划代,综述了宽禁代、超宽禁带半导体器件和材料最新进展。谢欣荣[2]阐述了第三代半导体材料氮化镓(GaN)的制备方法、研究现状及产业化进展。余梦露等[3]以第三代功率半导体领域专利文献的技术内容出发,从专利技术功效视角,提出基于内容的领域重点研发方向识别和布局分析框架,从时间维度、空间维度全面把握领域重点研究方向的布局形势。吴玲和赵璐冰[4]综述了第三代半导体发展现状、中国对第三代半导体产业的科技支持政策及当前面临的风险和存在的问题。目前,从文献计量角度对第三代半导体研究进行可视化分析的较少。为此,借助CiteSpace软件,以中国知网(China National Knowledge Internet,CNKI)数据库为文献来源,从关键词、核心作者群体、主要研究机构等方面进行可视化分析,深入挖掘第三代半导体领域的相关研究成果,以期为推动我国第三代半导体的产业发展提供参考和借鉴。

1 数据来源与分析方法

1.1 数据来源

以中国知网(CNKI)作为数据的来源数据库,以“第三代半导体”or“碳化硅”or“氮化镓”or“SiC”or“GaN”为主题,检索时间范围为“2013年1月1日至2023年6月5日”,检索期刊范围限定为“SCI(科学引文检索)”“北大核心”“CSSCI(中文社会科学引文索引)”,检索获得的文献数量为10 135篇。为了提高检索结果的查准率和查全率,并调高检索效率,通过分析检索所得文献的学科分布情况,并结合研究目标特性,在检索结果中选取学科为“材料科学”“无线电电子学”“无机化工”“金属学及金属工艺”“电力工业”“物理学”“航空航天科学与工程”“工业通用技术及设备”的共计8类学科的文献,得到符合检索条件的文献7 753篇。人工去除报纸、目录等与半导体研究无关的非学术文献,最终获得 7 564条中文有效文献数据,以下简称“样本”。

1.2 研究方法

文献计量法是一种基于文献外部特征和文献内容进行统计分析的研究方法[5],目前主要应用在计算机软件及计算机应用、科学管理研究、新闻与传媒、信息及知识的可视化分析、图书情报与数字图书馆领域的引文可视化、知识网络分析,以及复杂网络系统和社会网络分析等领域[6]。科学知识图谱的研究内容不仅包括科学知识演化过程、科学知识结构、科学知识前沿,以更好地理解科学知识的结构和发展,展示知识点、知识类、知识领域之间的相互关联和特征,揭示趋于融合或潜在的学科领域或前沿,而且它还可以反映知识主体之间、知识客体间的知识流动,通过“可视化的知识图形”和“序列化的知识谱”,显示出知识单元或知识群体之间结构、互动、交叉、演化或衍生等诸多复杂关系。借助可视化文献计量软件CiteSpace生成关于“第三代半导体”发展演化的热点关键词共现、关键词时区演化以及关键词突现等图谱,对我国2013—2023年第三代半导体相关文献的热点主题和演进趋势进行统计分析及可视化呈现,明确我国现阶段的研究热点,展现我国第三代半导体的发展过程。

2 第三代半导体研究整体趋势分析

第三代半导体是全球半导体技术研究前沿和新的科技竞争的焦点,也是国外对中国技术封锁的重点领域。对第三代半导体研究领域的期刊年度发文量进行统计,可以在一定程度上显示该主题的研究趋势。2013—2023年第三代半导体研究领域所选样本期刊的年度发文量情况如图1所示。2013—2014年处于平稳发展阶段,半导体领域作为传统持续关注的研究领域,研究主要集中在半导体材料的制备工艺方面。随着工业水平的不断发展、成熟,对该领域的研究在2015年出现了少量的减少。“十三五”(2016—2020年)期间,科技部启动国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项,并将“第三代半导体与半导体照明”作为其核心方向之一进行部署,对第三代半导体材料、器件研发和应用给予了全面支持。2020年科技部启动“十四五”国家重点研发计划编制工作,第三代半导体列入“新型显示与战略性电子材料”重点专项进行重点支持。2016—2020年第三代半导体领域相关研究论文的发文量整体持续增长,说明国家在政策层面的大力支持,激发了广大科研工作者的研究热情。随着人工智能、物联网、云计算和5G(第5代移动通信技术)等领域的快速发展,对高性能半导体器件的需求将持续增长,第三代半导体技术的创新和突破成为行业新的增长点。同时,新兴市场如汽车电子、智能家居和工业自动化等领域也成为半导体领域科技创新的增长引擎。从整体发展趋势分析,第三代半导体研究正处于快速发展的阶段,市场需求不断增长,技术创新和竞争加剧。然而,行业也面临着技术挑战、全球贸易不确定性等问题,半导体市场的发展将受到科技进步、政策环境和市场需求的影响。

图1 2013—2013年第三代半导体研究领域年度发文量

3 第三代半导体研究领域研究热点及趋势分析

3.1 基于关键词共现的网络可视化分析

关键词是能够表达文献核心内容的词语,可以用以表达文献的重点和热点。词频是指所分析的文献样本中词语出现的次数。关键词聚类是将所有关键词按照研究主题的不同进行归类,利用词频分析与关键词聚类分析可以用来研究该领域发展动向和研究热点[7]。利用CiteSpace V.6.2.R4版本软件进行关键词聚类分析及其可视化[8]。表1展现了样本中频次排名前30的关键词,频次最高的是碳化硅,且频次显著高于排名第2的力学性能,之后频次高于100的关键词有氮化镓、复合材料、显微组织、微观结构。

表1 第三代半导体研究领域前30关键词

利用CiteSpace进行关键词聚类可视化,得到关键词共现网络鱼眼图,如图2所示。节点的大小表示关键词频次的高低,得到的关键词网络及其聚类结果共有265个节点,952条连线,聚类模块值Q=0.402 2>0.3,说明聚类结构显著,网络同质性S=0.786 2>0.7,说明聚类是合理且令人信服的。取聚类效果较为明显的前5个类,分别为氮化镓、力学性能、耐磨性、碳化硅、显微结构。

图2 2013—2023年研究领域关键词共现网络鱼眼图

#0氮化镓,该聚类中心度前20的词条包括氮化镓、SiC MOSFET、温度、GaN HEMT、掺杂、缺陷、失效机理、驱动电路、高效率、击穿电压、欧姆接触、异质结、迁移率、可靠性、开关损耗、阈值电压、电子结构、晶体生长、功率器件、逆变器。

#1力学性能,该聚类中心度前20的词条包括力学性能、复合材料、微观结构、涂层、制备方法、碳纤维、氧化、界面反应、反应烧结、烧蚀、抗氧化性、制备、烧蚀性能、抗氧化、光致发光、搅拌铸造、反应熔渗、数值模拟、有限元法、纳米线、有限元。

#2耐磨性,该聚类中心度前20的词条包括显微组织、性能、硬度、耐磨性、摩擦磨损、热处理、激光熔覆、微观组织、显微硬度、粉末冶金、磨损、碳纳米管、化学镀、原位合成、激光技术、表面形貌、磨损机制、耐蚀性、组织、组织结构。

3#碳化硅,该聚类中心度前20的词条包括碳化硅、热压烧结、热导率、抗弯强度、表面改性、磁控溅射、断裂韧性、孔隙率、烧结温度、多孔陶瓷、莫来石、密度、mo涂层、复相陶瓷、氮化铝、微结构、致密化、气孔率、显气孔率3d打印。

4#显微结构,该聚类中心度前20的词条包括界面显微结构、石墨、钎焊、陶瓷、残余应力、致密度、物相组成、拉伸性能、环氧树脂、剪切强度、深度学习、高压扭转、真空钎焊、耐火材料、刀具磨损、电场、断口形貌、热震、数据增强。

3.2 利用突发词探测研究热点与学科前沿

突发词是指在某研究领域中,对于某些主题的研究爆发式地增长,从而使这些主题关键词能够突现出来。通过突发词探测可以识别出该领域在一定时间段内的研究热点,同时预测该领域未来一段时间内的研究趋势[6]。

图3显示了2012—2023年第三代半导体研究领域研究热点突现一年及以上排名前20的关键词,比较细的浅灰色长条代表年份区间,比较突出的深灰色粗线条代表作为研究热点的持续时间。基于此,可以预测出目前仍在持续并且可能在未来不断发展的研究主题有SiC MOSFET、失效机理、GaN HEMT、阈值电压、深度学习5个方向。其中SiC MOSFET的突现强度为15.03,是20个关键词中突现强度最高的词条,首次出现年份为2017年,突现开始时间为2019年,突显持续时间段目前已有4年,说明以SiC MOSFET为主题的研究在未来将成为更为持久的研究热点。可以发现国外竞争情报领域的研究中产生了许多新概念与新兴的研究方向。此外,碳纤维、失效机理的突现持续时间目前也有4年,说明这两个研究主题也是比较稳定且突出的研究方向。

图3 2013—2023年第三代半导体研究领域前20个关键词突现情况

3.3 核心作者及作者合作网络分析

表2 2013—2023年第三代半导体研究领域发文量前30的作者情况

利用CiteSpace对第三代半导体研究领域作者进行合作网络分析,绘制出由296个节点、419条线构成的合作网络图谱(图4),其中节点大小表示作者的发文量多少,各节点之间的连线多少代表各作者的合作强度。作者合作网络密度为0.009 6,结合上文核心作者发文量占比为16.5%,说明我国目前从事第三代半导体研究的学者多处于独立研究状态,研究较为分散,尚未形成稳定的、极具凝聚力的科研群体,作者间相互合作的紧密度仍需进一步加强。

图4 2013—2023年第三代半导体研究领域作者合作网络图谱

结合表2和图4,目前第三代半导体领域主要形成了4组节点突出、联系紧密的核心作者合作网络,分别是以郝跃、马晓华、张进成为中心的合作网络群,3人研究机构均为西安电子科技大学微电子学院;以冯志红、吕元杰、方宇龙、蔡树军为中心的合作网络群,4人研究机构均为中国电子科技集团第十三研究所;以张荣、郑有炓、修向前、谢自力、刘斌,陈鹏为中心的合作网络群,6人研究机构均为南京大学电子科学与工程学院;以王波、成来飞、张立同为中心的合作网络群,3人研究机构均为西北工业大学。其中郝跃、冯志红、张荣、王波均为发文量靠前的作者,发挥了其在本研究机构科研带头人的作用,充分说明杰出科研人才对推动科研发展的重要意义。同时也要看到,该领域集中于自身内部合作,与外部合作程度不高,尚未形成有体系、有规模、跨机构、跨学科合作的研究团队,在构建新型科技创新举国体制大背景下,科研合作有待进一步加强,需要该领域的学者加强合作,共享知识,融合发展。

3.4 核心机构及机构合作网络分析

通过分析第三代半导体领域核心机构及机构合作网络,可以了解目前该领域占据主导地位、引领学科发展的机构有哪些,为进一步探究这些机构为什么可以走在学科前沿,学习其培养策略与科研体系,提供了目标方向。表3列出了2013—2023年第三代半导体研究领域机构发文量排名前30的研究机构。发文量在100篇以上的机构有西北工业大学、中国科学院大学、西安电子科技大学、中国电子科技集团第五十五研究所(南京电子器件研究所)、武汉科技大学、中国电子科技集团第十三研究所、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中国科学院半导体研究所。表2中发文量排名前30的核心作者有15位在这8所科研机构中,说明核心机构与核心作者之间有着紧密的联系,核心机构为核心作者提供更宽广的科研平台,核心作者促进核心机构整体科研水平的提高。从表3中可以发现,核心机构排名靠前且分布比较集中的省(市)主要有北京、上海、陕西、江苏、湖南,说明这些地区在第三代半导体研究领域处于国内领先地位,具有标杆示范作用,其在产业发展激励政策、人才培育模式、产学研协同创新发展等方面都有值得学习的地方。

利用CiteSpace对2013—2033年第三代半导体研究领域机构进行可视化分析,在聚类的基础上得到研究机构合作网络图谱(图5)。图中节点大小表示该研究机构发表期刊论文的数量,节点间的连线表示不同机构间的合作强度。图5的样本包含285个节点,214条连线,网络密度为0.005 3,说明该领域的研究机构较为分散,未形成较强且广泛的合作网络关系,核心研究机构主要集中在高校和科研院所,且内部合作紧密,缺乏与其他外部科研机构的合作力度。深入分析发展,图5中比较紧密的合作网络主要有4组,具体如下。

1)以中国科学院大学为较大的中心节点,与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、合肥工业大学材料科学与工程学院、中国科学院微电子研究所、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国科学院上海硅酸盐研究所结构陶瓷与复合材料工程研究中心形成较为紧密的合作网络。

2)以武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室为较大的中心节点,与北京科技大学材料科学与工程学院、西北工业大学凝固技术国家重点实验室、湖南大学材料科学与工程学院、西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室、西安科技大学材料与工程学院形成较为紧密的合作网络。

3)以中南大学粉末冶金国家重点实验室为较大的中心节点,与中国科学院金属研究所、中南大学材料科学与工程学院、中国科学院上海硅酸盐研究院、中国科学技术大学材料科学与工程学院、中国航空制造技术研究院形成较为紧密的合作网络。

4)以中国电子科技集团第五十五研究所(南京电子器件研究所)、中国电子科技集团第十三研究所为两个较大的中心节点,与复旦大学专用集成电路与系统重点实验室、西安电子科技大学微电子学院、浙江大学电气工程学院、北京交通大学电气工程学院、中国电子科技集团第四十六研究所形成较为紧密的合作网络。

4 结论与对策

4.1 结论

以CNKI 数据库为数据源,采用 CiteSpace 软件对第三代半导体研究领域进行可视化分析,可以快速发现该领域的关键词、机构、作者及其合作情况等信息。 通过系统的可视化分析,得出以下结论。

1)基于关键词共现的可视化分析中,得出聚类效果较为明显的前5个类,分别为氮化镓、力学性能、耐磨性、碳化硅、显微结构。利用突发词探测,预测出目前仍在持续并且可能在未来不断发展的研究主题有SiC MOSFET、失效机理、GaN HEMT、阈值电压、深度学习5个方向。

2)基于作者合作网络可视化分析中,作者合作网络密度为0.009 6,核心作者发文量占比为16.5%,说明我国第三代半导体领域核心作者之间尚未形成紧密合作关系,但已形成若干小规模合作群,且多以共同合作的科研项目为合作契机,随着项目的完成,创新研究的可持续性不高。核心作者的发文量占比不高,说明我国第三代半导体领域高层次人才的科研创新动力还有待进一步激发。

3)基于机构合作网络可视化分析中,机构合作网络密度为0.005 3,说明该领域的研究机构较为分散,核心研究机构主要集中在高校和科研院所,发文量高但都以内部合作为主,缺乏与其他外部科研机构广泛且深入的合作。核心研究机构主要集中在高校和科研院所,有待进一步加强与企业、社会组织的合作,激发市场科技创新活力。此外,从发文合作单位可以发现,半导体企业与高校、科研院所相互比较独立,联结比较松散,缺乏共同的利益诉求。

4.2 对策

4.2.1 把握领域重点研究方向,加快推进关键核心技术攻关

按照国家构建“关键核心技术攻关新型举国体制”的要求,聚焦第三代半导体产业创新发展需求和重大科技攻关任务,加快推进关键核心技术攻关,着力破解制约产业发展的难点堵点技术,围绕产业全链条,从材料端、生产端、应用端形成技术应用闭环,推动第三代半导体产业实现跨越式发展。利用突发词探测,分析出目前第三代半导体领域仍在持续并且可能在未来不断发展的研究主题有SiC MOSFET、失效机理、GaN HEMT、阈值电压、深度学习5个方向。在研究高压SiC MOSFET[9]器件领域,如何攻克双极退化效应、低电流等级问题、外延缺陷问题,如何改进现有工艺提高器件的可靠性和工艺,都是未来需要持续推进的技术攻关课题。分析半导体器件在极端条件下的失效机理,如雪崩失效、短路失效、浪涌失效,对于保证系统稳定运行起着至关重要的作用[10]。GaN 功率器件/模块封装技术是当前技术研究的热点,在降低杂散电感、封装散热结构设计和提升封装连接可靠性方面受到广泛的关注[11]。将深度学习引入半导体材料表面缺陷检测中,已成为半导体研究领域的重点研究方向,具有广泛的应用前景。缺陷检测中如何实现高精度、实时性的检测效果,提高图像采集质量,解决小样本、小目标问题是深度学习建模需要攻克的难题[12]。

4.2.2 突破人才壁垒,激发领军人才创新活力

构建灵活多样的人才流动模式,在条件允许的范围内,科研人员可以根据自身需求及优势选择以何种形式加入国内不同的科研团队中。在新型举国体制下,要发挥集中力量办大事的体制优势,创新人才激励机制,整合半导体领域的核心力量,在重点研发领域、基础研究领域深耕细作。优化学科建设,构建“合作、开放、动态、共享”的高层次人才培养模式,加强高校与其他科研机构、社会组织,大型科研企业研发中心联合培养高层次人才的模式。在联合培养中,要合理规划“基础层、技术层、应用层”全链条人才布局,优化人才培养结构。高校、科研院所要积极探索利用“柔性方式”引进学科领域领军人才,如设立领军人才专项基金、采用联合培养专项研究生的模式、以科研项目为抓手“以研促教”的科研团队培养模式,充分发挥领军人才的学科带头作用,提高科研创新能力。

4.2.3 完善科技创新体制机制,加强创新联合体的体系化布局

完善科技创新体制机制,突破高校、科研院所之间的边界,构建企业参与高校、科研院所主导的创新联合体,由高水平研究型大学或国家科研机构主导组建,并提供科技供给和人才供给[13]。企业根据市场导向、自身研发基础向创新联合体提出自身面临的技术瓶颈,创新联合体负责在相关领域开展基础研究和应用研究,协同研发出的科研成果在企业实现成果转化和产业化应用,以共同的利益诉求,将企业与高校紧密地联系在一起,从整个半导体产业链条加强创新联合体的体系化布局。加快传统科研院所的体制机制改革,通过与其他高校建立联合研究院和联合研究中心,与政府建立智库和政策研究中心,深化科教融合;通过实现科研院所大科学装置的共建共享,加强与社会组织的紧密合作,在加强分类布局、避免重复建设的基础上,激发全社会联动发展及协同创新的活力[14]。建立面向全球科研人员和机构的开放共享机制,与国外科研团队开展合作,吸引国内外人才共同开展研究,科研成果共享,提高原始创新能力[15]。