這個春天里，我國三代半導體新材料產(chǎn)業(yè)萌動生發(fā)，蓄勢待發(fā)。

剛剛閉幕的全國兩會，第三代半導體成為兩會的熱詞之一。日前發(fā)布的“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要中提出，我國將加速推動以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體新材料新技術產(chǎn)業(yè)化進程，催生一批高速成長的新材料企業(yè)。

業(yè)內(nèi)專家對我國第三代半導體的發(fā)展持積極態(tài)度，他們提出，第三代半導體材料或許可以成為我們擺脫集成電路被動局面，實現(xiàn)芯片技術追趕和超車的良機。

半導體新材料數(shù)個千億級產(chǎn)業(yè)體系呼之欲出

碳化硅是全球最先進的第三代半導體材料。和第一代的硅、第二代的砷化鎵材料相比，它具有耐高壓、高頻、大功率等優(yōu)良的物理特性，是衛(wèi)星通訊、高壓輸變電、軌道交通、電動汽車、通訊基站等重要領域的核心材料，尤其是在航天、國防等領域有著不可替代的優(yōu)勢。

3月17日，山西爍科總經(jīng)理李斌接受科技日報記者采訪時說：“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)，可引領帶動原材料與設備兩個千億級產(chǎn)業(yè)，助力我國加快向高端材料、高端設備制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的步伐。”

李斌說，2020年，山西爍科晶體碳化硅襯底年產(chǎn)能已達10萬片，銷售3萬片以上。預計2021年銷售4萬片，2025年預計銷售30萬片，年復合增長率37%。

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)的原材料需求可達6.5億元左右。在當今全球大力發(fā)展半導體產(chǎn)業(yè)的情況下，十四五末，預計國內(nèi)半導體材料企業(yè)原材料需求量將達千億級別。

相應設備方面，每生產(chǎn)1萬片碳化硅襯底即需要相應檢測設備總價值預計5000萬左右，到2025年僅山西省內(nèi)碳化硅材料方面設備需求總計高達15億元，國內(nèi)整個半導體材料行業(yè)設備需求量總計也將達到千億級別。

N型碳化硅晶片的作用是用于制造電力電子器件，可用于電動汽車。據(jù)介紹，目前的電動汽車續(xù)航還是個問題。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域就將帶動一個千億級的產(chǎn)業(yè)集群。

10年磨一劍，奮力追趕世界先進技術

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。之前，這項技術只掌握在美國人手里，且長期對我國技術封鎖。過去，我國的半導體材料長期依賴國外進口，由此帶來的問題就是半導體材料價格昂貴、渠道不穩(wěn)，隨時都可能面對禁運的風險，而且產(chǎn)品的質(zhì)量也難以得到有效保證，國人備受半導體材料和核心技術 “卡脖子”之痛。

山西爍科經(jīng)過反復鉆研攻關，最終完全掌握了這項技術，實現(xiàn)了高純度碳化硅單晶的商業(yè)化量產(chǎn)。3月16日，科技日報記者來到山西爍科生產(chǎn)車間，數(shù)百臺碳化硅單晶生長爐整齊地列成一排，生長部經(jīng)理、高級工程師毛開禮說：“碳化硅晶片就在里面安靜地生長。”

粉料部經(jīng)理馬康夫介紹，碳化硅晶片之所以如此珍貴，除了它應用范圍廣泛外，還因為碳化硅的生產(chǎn)技術非常不易。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。從4英寸到6英寸，最關鍵的是晶體的生長。

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，也可能影響這個晶體的生長質(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，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)境恰恰又是晶體生長最核心的技術。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難關。解決這個技術難題，他們用了七八年的時間。這個七八年，他們分秒必爭、加班加點、連續(xù)爬坡;這個七八年，他們跌倒了起來重新開始。最終，他們成功了。

“目前我們是國內(nèi)最大的碳化硅產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)基地。”毛開禮自豪地介紹：“多年的科研積累、攻關探索以及不計其數(shù)的失敗教訓，不斷激發(fā)了我們的創(chuàng)新活力，也不斷提升了我們創(chuàng)新的能力。我們山西爍科現(xiàn)在擁有四大優(yōu)勢。”一是裝備優(yōu)勢。我們的核心裝備全部自主研發(fā)生產(chǎn)，實現(xiàn)了一代裝備、一代研發(fā)、一代材料的技術積累和遞進。二是關鍵原材料優(yōu)勢。我們的高純度碳化硅粉料實現(xiàn)了自主研發(fā)生產(chǎn)，成本比進口大幅度降低90%。三是工藝技術優(yōu)勢。從科研成果到生產(chǎn)關鍵技術自主產(chǎn)業(yè)化。四是生產(chǎn)管理優(yōu)勢。

毛開禮說：“現(xiàn)在，我們的碳化硅晶體材料的核心技術已經(jīng)站到國際前沿，產(chǎn)品的關鍵技術指標已經(jīng)差距不大，產(chǎn)品應用完全可以滿足我國國民經(jīng)濟建設需求。但是，我們的碳化硅整個產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈還有待進一步積累優(yōu)化。”

碳化硅、氮化鎵的市場潛力還遠未被全部挖掘

5G、智慧交通、新能源已經(jīng)成為全球發(fā)展的方向，但作為上游材料的氮化鎵、碳化硅的市場潛力其實還遠未被全部挖掘。因為如果從產(chǎn)業(yè)鏈中游來看，我國第三代半導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。

半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今經(jīng)歷了三個階段，第一代半導體材料以硅為代表;第二代半導體材料砷化鎵也已經(jīng)廣泛應用;而以氮化鎵和碳化硅、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等寬禁帶為代表的第三代半導體材料，相較前兩代產(chǎn)品性能優(yōu)勢顯著。

毛開禮介紹，第三代半導體材料有非常獨特優(yōu)異的性能優(yōu)勢。寬禁帶，單個器件可以承載上萬伏電壓;熱導率高，工作可靠性強;載流子遷移率高、工作頻率大，省電節(jié)能;把這些優(yōu)異性能全部整合在碳化硅材料之上，其性能就會指數(shù)級地提升，用途也會更為廣泛。

毛開禮還介紹，碳化硅晶片是5G芯片最理想的襯底。而5G通訊即將帶來的生活的便捷高效，帶來物聯(lián)方式的變革，將推動整個經(jīng)濟社會的大變革。碳化硅材料應用還可以推動碳達峰、碳中和。比如未來新能源汽車對燃油汽車的替代等，都會帶來極大的市場變革。

有“拳頭”產(chǎn)品和“龍頭”企業(yè)的引領帶動，山西省搶抓機遇進行優(yōu)先布局。在技術研發(fā)平臺方面，山西省已建成兩戶省級行業(yè)技術中心，以及4戶省級企業(yè)技術中心，已建和在建數(shù)個高端創(chuàng)新平臺。其中在“芯”方面將以太原、忻州為核心，以碳化硅、氮化鎵第三代半導體等為重點，形成碳化硅、芯片設計、芯片制造等全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品體系，正在全力打造太原、忻州半導體產(chǎn)業(yè)集群。(記者 王海濱)

關鍵詞： 碳化硅