碳化硅，第三代半導(dǎo)體時代的中國機會

  ICC訊 5G通信、電動汽車等新興產(chǎn)業(yè)對碳化硅材料將產(chǎn)生巨大需求，大力發(fā)展碳化硅產(chǎn)業(yè)，可引領(lǐng)帶動原材料與設(shè)備兩個千億級產(chǎn)業(yè)，助力我國加快向高端材料、高端設(shè)備制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的步伐。

  今年發(fā)布的“‘十四五’規(guī)劃和2035年遠景目標綱要”提出，我國將加速推動以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體新材料新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進程，催生一批高速成長的新材料企業(yè)。

  科技日報記者7月18日對業(yè)內(nèi)專家進行采訪時發(fā)現(xiàn)，他們對我國第三代半導(dǎo)體的發(fā)展持積極態(tài)度，并認為第三代半導(dǎo)體材料或許可為我們擺脫集成電路被動局面、實現(xiàn)芯片技術(shù)追趕和超車提供良機。

  碳化硅性能優(yōu)勢顯著、用途廣泛

  半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今經(jīng)歷了3個階段，第一代半導(dǎo)體材料以硅為代表；第二代半導(dǎo)體材料砷化鎵也已經(jīng)廣泛應(yīng)用；而以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料，相較前兩代產(chǎn)品性能優(yōu)勢顯著。

  碳化硅又稱碳硅石，是在大自然中也存在的罕見礦物，工業(yè)上以石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑為原料通過電阻爐高溫冶煉而成。

  山西爍科晶體有限公司（以下簡稱山西爍科）生產(chǎn)部經(jīng)理、高級工程師毛開禮介紹，碳化硅有非常獨特的性能優(yōu)勢。它擁有寬禁帶，使得單個器件可以承載上萬伏電壓；熱導(dǎo)率高，工作可靠性強；載流子遷移率高、工作頻率大，省電節(jié)能。這些優(yōu)勢讓碳化硅材料的性能呈現(xiàn)指數(shù)級提升，用途也更為廣泛。

  碳化硅是衛(wèi)星通信、高壓輸變電、軌道交通、電動汽車、通信基站等重要領(lǐng)域的核心材料，尤其是在航天、國防等領(lǐng)域有著不可替代的作用。

  據(jù)中金企信國際咨詢發(fā)布，目前我國在5G通信、電動汽車等新興產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平、產(chǎn)業(yè)化規(guī)模等方面都處于國際優(yōu)勢地位，將促進我國上游半導(dǎo)體行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，進一步提高國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)在國際市場的影響力，尤其對碳化硅器件將產(chǎn)生巨大的需求。

  毛開禮告訴記者，N型碳化硅晶片可用于制造電動汽車等領(lǐng)域。據(jù)介紹，目前的電動汽車續(xù)航能力還是個問題。如果用上碳化硅晶片的話，就能在電池不變的情況下，使汽車的續(xù)航力增加10%左右。雖然碳化硅在電動汽車上的應(yīng)用才剛剛起步，但每生產(chǎn)一輛電動汽車，至少要消耗一片碳化硅，按照我國電動汽車保有量每年增長70%的速度來看，碳化硅僅在電動汽車領(lǐng)域就將帶動一個千億級的產(chǎn)業(yè)集群。

  山西爍科總經(jīng)理李斌告訴記者，現(xiàn)在碳化硅產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展時期，大力發(fā)展碳化硅產(chǎn)業(yè)，可引領(lǐng)帶動原材料與設(shè)備兩個千億級產(chǎn)業(yè)，助力我國加快向高端材料、高端設(shè)備制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的步伐。

  單晶生長工藝正追趕世界先進水平

  今年1月，湖南省首個第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)園及國內(nèi)首條碳化硅研發(fā)生產(chǎn)全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)線封頂。據(jù)介紹，該項目主要包含碳化硅長晶、襯底、外延、芯片、器件封裝等廠房及相關(guān)配套設(shè)施建設(shè)，項目全面建成投產(chǎn)后，將形成碳化硅研發(fā)和生產(chǎn)全產(chǎn)業(yè)鏈兩條生產(chǎn)線，生產(chǎn)可廣泛用于新能源汽車、高鐵機車、航空航天和無線通信等領(lǐng)域的高質(zhì)量、低成本、高穩(wěn)定性碳化硅襯底及各類器件。全部建成后預(yù)計可實現(xiàn)年產(chǎn)值120億元以上，并可帶動上下游配套產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值預(yù)計超1000億元。

  碳化硅單晶的制備一直是全球性難題，而高穩(wěn)定性的晶體生長工藝則是其中最核心的技術(shù)。之前，這項技術(shù)只掌握在美國人手里，且長期對我國進行技術(shù)封鎖。我國半導(dǎo)體材料長期依賴進口，由此帶來的問題就是半導(dǎo)體材料價格昂貴、渠道不穩(wěn)，隨時都可能面對斷供的風(fēng)險，而且產(chǎn)品的質(zhì)量也難以得到有效保證。

  李斌介紹，碳化硅晶體的生長條件十分嚴苛，不僅需要經(jīng)歷高溫還需要壓力精確控制的生長環(huán)境，同時這些晶體的生長速度很緩慢，生長質(zhì)量也不易控制。在生長的過程中即便只出現(xiàn)一絲肉眼無法察覺的管洞，也可能影響晶體的生長質(zhì)量。碳化硅晶體的生長過程就如同“蒙眼繡花”一樣，因為溫度太高，難以進行人工干預(yù)，所以晶體的生長過程十分容易遭到擾動，而如何在苛刻的生長條件下穩(wěn)定生長環(huán)境，恰恰是晶體生長最核心的技術(shù)。要想生產(chǎn)出高質(zhì)量的碳化硅晶片，就必須攻克這些技術(shù)難關(guān)。

  山西爍科經(jīng)過反復(fù)鉆研攻關(guān)，最終完全掌握了這項技術(shù)，打破了國外壟斷，實現(xiàn)了高純度碳化硅單晶的商業(yè)化量產(chǎn)。現(xiàn)在，山西爍科碳化硅半導(dǎo)體材料產(chǎn)能國內(nèi)第一，市場占有率超過50%。

  山西爍科粉料部經(jīng)理馬康夫介紹，碳化硅晶片之所以如此珍貴，除了它應(yīng)用范圍廣泛外，還因為其生產(chǎn)技術(shù)非常不易掌握。一個直徑4英寸的晶片一次可以做出1000個芯片，而直徑6英寸的晶片一次則可以做成3000個芯片。但從4英寸到6英寸，晶體的生長是最難破解的關(guān)鍵技術(shù)。

  市場潛力還遠未被全部挖掘

  碳化硅由于化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好，除作磨料用外，還擁有很多用途，例如：以特殊工藝把碳化硅粉末涂布于水輪機葉輪或汽缸體的內(nèi)壁，可提高其耐磨性而延長使用壽命1—2倍；用以制成的高級耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強度高,節(jié)能效果好；低品級碳化硅（含碳化硅約85％）是極好的脫氧劑，用它可加快煉鋼速度，并便于控制化學(xué)成分，提高鋼的質(zhì)量；此外，碳化硅還大量用于制作電熱元件硅碳棒。

  李斌分析認為，目前碳化硅產(chǎn)業(yè)原材料占企業(yè)成本的65%，到2025年，僅山西爍科一家企業(yè)的原材料需求就可達6.5億元左右。

  今年以來，有10多個碳化硅項目在全國各地開工或取得積極進展，可謂遍地開花：露笑科技在安徽合肥投資100億元，發(fā)展碳化硅等第三代半導(dǎo)體材料的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目，還投資7億元在浙江紹興建成了碳化硅襯底片項目；華大半導(dǎo)體在浙江寧波投資10.5億元的項目，計劃年產(chǎn)8萬片4—6英寸碳化硅襯底及外延片、碳化硅基氮化鎵外延片；中科鋼研在山東青島建成集成電路產(chǎn)業(yè)園，有望打破碳化硅晶體襯底片依賴進口的局面；ROHM-臻驅(qū)科技在上海聯(lián)合成立的實驗室，致力于開發(fā)、測試及推廣以碳化硅為基礎(chǔ)材料的功率半導(dǎo)體技術(shù)……

  毛開禮表示，雖然碳化硅可被應(yīng)用于新能源汽車、高鐵機車、航空航天和無線通信等多個領(lǐng)域，可謂“萬物皆可碳化硅”，但碳化硅的市場潛力還遠未被挖掘，如果從產(chǎn)業(yè)鏈中游來看，我國第三代半導(dǎo)體器件市場有著巨大的增長空間，或能成為倒逼上游材料發(fā)展的一大動力。