碳化硅已成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的前沿和制高點。

       作為新興的戰(zhàn)略先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，碳化硅是制造高溫、高頻、大功率半導(dǎo)體器件的理想襯底材料，也是發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。

       法國咨詢機構(gòu)Yole公司的報告顯示，2012年到2015年，全球碳化硅市場年均增長率將不低于30%，2015年后全球市場將會出現(xiàn)爆發(fā)式增長。

       北京天科合達(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體有限公司作為國內(nèi)首家同時也是規(guī)模最大的碳化硅單晶產(chǎn)品的制造及供應(yīng)商，擁有近300家客戶。《中國科學(xué)報》記者日前在采訪中發(fā)現(xiàn)，2006年公司成立以來，面對碳化硅制備過程中的諸多技術(shù)難題以及國外的技術(shù)封鎖，天科合達(dá)不僅通過自身努力縮小了與國外的技術(shù)差距，還走出了一條值得借鑒的自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化之路。

       應(yīng)用前景廣闊

       在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，一般將硅、鍺等材料稱為第一代半導(dǎo)體材料，將砷化鎵、磷化銦等材料稱為第二代半導(dǎo)體材料，而以碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料則被稱為第三代半導(dǎo)體材料。

       如今，碳化硅已成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的前沿和制高點，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

       首先是高亮度發(fā)光二極管（LED）。中科院物理所研究員、天科合達(dá)技術(shù)發(fā)明人陳小龍告訴《中國科學(xué)報》記者，由于碳化硅的熱導(dǎo)率高、晶格匹配性好，因此適用于制備大功率、高亮度的LED。

       據(jù)陳小龍介紹，目前市場上藍(lán)寶石基的LED發(fā)光效率可以達(dá)到120流明/瓦，而使用碳化硅的LED則能得到200流明/瓦，正處于實驗室研發(fā)階段的碳化硅基產(chǎn)品則已經(jīng)達(dá)到300流明/瓦。這種大功率、高亮度的LED，在汽車前大燈、道路照明等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用價值。

       這一點從碳化硅行業(yè)的龍頭企業(yè)—美國科銳（Cree）公司的收入上可見一斑。2013年，科銳公司LED產(chǎn)品的營收為8億美元，產(chǎn)品毛利為3.45億美元，毛利潤達(dá)43%。

       除了高亮度LED，碳化硅還是制造電力電子器件的理想材料。陳小龍告訴記者，碳化硅具有耐高電壓、耐高溫和節(jié)能等特點。同時，使用碳化硅的電力電子器件，體積可以做得非常小。因此，在新能源汽車、太陽能發(fā)電、機車牽引以及大功率輸配電等領(lǐng)域，都將發(fā)揮重要作用。

       據(jù)陳小龍介紹，碳化硅還是射頻微波器件的理想襯底材料，可以提高雷達(dá)、通信、電子對抗以及智能武器等的整體性能和可靠性。此外，碳化硅還可以用于制作人工寶石，而通過碳化硅外延生長制備石墨烯的技術(shù)也吸引了不少研究者的注意。

       據(jù)預(yù)測，到2019年，全球碳化硅單晶爐數(shù)量將超過3000臺，碳化硅襯底產(chǎn)量將超過200萬片，市場規(guī)模將達(dá)到20億美元，外延材料市場規(guī)模約10億美元。同時，碳化硅的發(fā)展還將帶動上游單晶設(shè)備、外延設(shè)備產(chǎn)業(yè)和下游的器件以及模塊等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，規(guī)模將達(dá)數(shù)百億美元。

       與國外差距日益縮小

       和很多高新技術(shù)類似，我國碳化硅晶體的發(fā)展，也同樣是一個追趕國際先進(jìn)水平的過程。

       據(jù)了解，早在1991年，科銳公司就推出了碳化硅晶片產(chǎn)品，而我國的碳化硅晶體研究則從上世紀(jì)90年代末才剛剛起步。不過，在國內(nèi)研究人員的努力之下，我國與國外的技術(shù)差距正在被逐漸縮小。

       2011年，科銳公司發(fā)布了6英寸碳化硅晶體，并開始小批量銷售。而國內(nèi)天科合達(dá)的4英寸碳化硅晶體2011年已經(jīng)準(zhǔn)備進(jìn)入量產(chǎn)階段，并從2013年開始進(jìn)行6英寸碳化硅晶體的研發(fā)工作。

       陳小龍告訴記者，我國與國外的技術(shù)差距正在縮短。

       一路行來，陳小龍和他的團(tuán)隊經(jīng)歷了一系列的艱難險阻。

       陳小龍?zhí)寡裕?999年剛開始搞碳化硅晶體研究的時候，由于國外對技術(shù)嚴(yán)格保密，陳小龍和他的團(tuán)隊只能從基本原理做起，很多基礎(chǔ)的實驗和基本規(guī)律，都是自己一點一點摸索出來的。

       到了2006年，在經(jīng)過7年的辛苦打拼后，陳小龍團(tuán)隊終于看到了產(chǎn)業(yè)化的曙光。不過，在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，同樣遭遇了諸多挑戰(zhàn)。

       陳小龍告訴記者，碳化硅從2英寸、4英寸到6英寸的發(fā)展過程中，擴晶技術(shù)非常關(guān)鍵。而且，晶體的尺寸變大以后，溫場發(fā)生很大的變化，因此帶來一系列的問題，如相變等，需要投入大量的人力、物力去克服。碳化硅特有的微管等缺陷，對于材料和器件性能具有致命影響，其形成機制需要細(xì)致、深入的研究。

       其次，加工的碳化硅晶片厚度只有約0.4毫米，因此，在晶片直徑增加以后，還需要克服晶片變形的問題。

       此外，碳化硅晶片要求表面非常平整，粗糙度在0.3納米以下。這些都對碳化硅的制備形成了挑戰(zhàn)。

       如今，經(jīng)過不懈努力，天科合達(dá)已經(jīng)建成了碳化硅生長的生產(chǎn)線以及加工、檢測、清洗、封裝的生產(chǎn)線。在碳化硅研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化過程中，天科合達(dá)還申請了近30項發(fā)明專利，包括3個PCT國際專利,其中已經(jīng)授權(quán)發(fā)明專利接近20項。

       產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗

       據(jù)陳小龍介紹，目前天科合達(dá)正計劃引入新的投資，在北京建立晶體生產(chǎn)基地，并盡快實現(xiàn)6英寸碳化硅晶體的規(guī)模化生產(chǎn)。

       對于天科合達(dá)這些年走過的自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化的道路，陳小龍頗有一番感慨。

       “首先感謝國家的支持。”陳小龍說，“我們最初的基礎(chǔ)研究得到了國家自然科學(xué)基金委的支持，產(chǎn)業(yè)化過程中又得到了科技部、國家發(fā)展改革委、中科院、北京市和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)等的支持。可以說，沒有國家的支持，我們不會有今天的成績。”

      如今，天科合達(dá)已經(jīng)是國內(nèi)最大的碳化硅單晶產(chǎn)品的制造商及供應(yīng)商，擁有近300家客戶，并帶動了國內(nèi)碳化硅半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，我國已初步形成了晶體、外延和器件的產(chǎn)業(yè)鏈。在陳小龍看來，天科合達(dá)能夠取得這樣的發(fā)展，還得益于對基礎(chǔ)研究的充分重視。

       “很多人不理解，說搞產(chǎn)業(yè)化，有必要如此重視基礎(chǔ)研究嗎？而在我看來，產(chǎn)業(yè)化階段的技術(shù)水平，恰恰是基礎(chǔ)研究階段積累的體現(xiàn)。”陳小龍說。

       此外，在陳小龍看來，產(chǎn)學(xué)研的實質(zhì)性合作，也是推動碳化硅產(chǎn)業(yè)化的重要因素。

       陳小龍告訴記者，這種產(chǎn)學(xué)研的實質(zhì)性合作主要得益于兩個方面。一個是高的反饋效率。“實驗室的基礎(chǔ)研究取得進(jìn)展后，馬上把得到的新認(rèn)識、新規(guī)律應(yīng)用到中試生產(chǎn)線，得到反饋后，又立即反饋到實驗室這邊。這種產(chǎn)學(xué)研的密切結(jié)合，有助于加快產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。”陳小龍說。

       體制和機制的突破同樣重要。“研究所和投資方按照股份制的方式成立了獨立的公司。研究所和股東大力支持，物理所與天科合達(dá)聯(lián)合設(shè)立了研發(fā)中心，并共同承擔(dān)科研項目，這使得產(chǎn)學(xué)研的結(jié)合更為緊密。”陳小龍說。