奋力追赶世界先进技术 碳化硅可否引领带动我国三代半导体产业“弯道超车”

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日期:2021-03-22 16:12:13    来源:科技日报    

这个春天里,我国三代半导体新材料产业萌动生发,蓄势待发。

刚刚闭幕的全国两会,第三代半导体成为两会的热词之一。日前发布的“十四五”规划和2035年远景目标纲要中提出,我国将加速推动以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体新材料新技术产业化进程,催生一批高速成长的新材料企业。

业内专家对我国第三代半导体的发展持积极态度,他们提出,第三代半导体材料或许可以成为我们摆脱集成电路被动局面,实现芯片技术追赶和超车的良机。

半导体新材料数个千亿级产业体系呼之欲出

碳化硅是全球最先进的第三代半导体材料。和第一代的硅、第二代的砷化镓材料相比,它具有耐高压、高频、大功率等优良的物理特性,是卫星通讯、高压输变电、轨道交通、电动汽车、通讯基站等重要领域的核心材料,尤其是在航天、国防等领域有着不可替代的优势。

3月17日,山西烁科总经理李斌接受科技日报记者采访时说:“碳化硅产业正处于高速发展时期,大力发展碳化硅产业,可引领带动原材料与设备两个千亿级产业,助力我国加快向高端材料、高端设备制造业转型发展的步伐。”

李斌说,2020年,山西烁科晶体碳化硅衬底年产能已达10万片,销售3万片以上。预计2021年销售4万片,2025年预计销售30万片,年复合增长率37%。

李斌分析认为,目前,碳化硅产业原材料占企业成本的65%,到2025年,仅山西烁科一家企业的原材料需求可达6.5亿元左右。在当今全球大力发展半导体产业的情况下,十四五末,预计国内半导体材料企业原材料需求量将达千亿级别。

相应设备方面,每生产1万片碳化硅衬底即需要相应检测设备总价值预计5000万左右,到2025年仅山西省内碳化硅材料方面设备需求总计高达15亿元,国内整个半导体材料行业设备需求量总计也将达到千亿级别。

N型碳化硅晶片的作用是用于制造电力电子器件,可用于电动汽车。据介绍,目前的电动汽车续航还是个问题。如果用上碳化硅晶片的话,就能在电池不变的情况下,使汽车的续航力增加10%左右。虽然碳化硅在电动汽车上的应用才刚刚起步,但每生产一辆电动汽车,至少要消耗一片碳化硅,按照我国电动汽车保有量每年增长70%的速度来看,碳化硅仅在电动汽车领域就将带动一个千亿级的产业集群。

10年磨一剑,奋力追赶世界先进技术

碳化硅单晶的制备一直是全球性难题,而高稳定性的晶体生长工艺则是其中最核心的技术。之前,这项技术只掌握在美国人手里,且长期对我国技术封锁。过去,我国的半导体材料长期依赖国外进口,由此带来的问题就是半导体材料价格昂贵、渠道不稳,随时都可能面对禁运的风险,而且产品的质量也难以得到有效保证,国人备受半导体材料和核心技术 “卡脖子”之痛。

山西烁科经过反复钻研攻关,最终完全掌握了这项技术,实现了高纯度碳化硅单晶的商业化量产。3月16日,科技日报记者来到山西烁科生产车间,数百台碳化硅单晶生长炉整齐地列成一排,生长部经理、高级工程师毛开礼说:“碳化硅晶片就在里面安静地生长。”

粉料部经理马康夫介绍,碳化硅晶片之所以如此珍贵,除了它应用范围广泛外,还因为碳化硅的生产技术非常不易。一个直径4英寸的晶片一次可以做出1000个芯片,而直径6英寸的晶片一次则可以做成3000个芯片。从4英寸到6英寸,最关键的是晶体的生长。

碳化硅晶体的生长条件十分严苛,不仅需要经历高温还需要压力精确控制的生长环境,同时这些晶体的生长速度很缓慢,生长质量也不易控制。在生长的过程中即便只出现一丝肉眼无法察觉的管洞,也可能影响这个晶体的生长质量。碳化硅晶体的生长过程就如同“蒙眼绣花”一样,因为温度太高,难以进行人工干预,所以晶体的生长过程十分容易遭到扰动,而如何在苛刻的生长条件下稳定生长环境恰恰又是晶体生长最核心的技术。要想生产出高质量的碳化硅晶片,就必须攻克这些技术难关。解决这个技术难题,他们用了七八年的时间。这个七八年,他们分秒必争、加班加点、连续爬坡;这个七八年,他们跌倒了起来重新开始。最终,他们成功了。

“目前我们是国内最大的碳化硅产业生产基地。”毛开礼自豪地介绍:“多年的科研积累、攻关探索以及不计其数的失败教训,不断激发了我们的创新活力,也不断提升了我们创新的能力。我们山西烁科现在拥有四大优势。”一是装备优势。我们的核心装备全部自主研发生产,实现了一代装备、一代研发、一代材料的技术积累和递进。二是关键原材料优势。我们的高纯度碳化硅粉料实现了自主研发生产,成本比进口大幅度降低90%。三是工艺技术优势。从科研成果到生产关键技术自主产业化。四是生产管理优势。

毛开礼说:“现在,我们的碳化硅晶体材料的核心技术已经站到国际前沿,产品的关键技术指标已经差距不大,产品应用完全可以满足我国国民经济建设需求。但是,我们的碳化硅整个产业生态链还有待进一步积累优化。”

碳化硅、氮化镓的市场潜力还远未被全部挖掘

5G、智慧交通、新能源已经成为全球发展的方向,但作为上游材料的氮化镓、碳化硅的市场潜力其实还远未被全部挖掘。因为如果从产业链中游来看,我国第三代半导体器件市场有着巨大的增长空间,或能成为倒逼上游材料发展的一大动力。

半导体产业发展至今经历了三个阶段,第一代半导体材料以硅为代表;第二代半导体材料砷化镓也已经广泛应用;而以氮化镓和碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等宽禁带为代表的第三代半导体材料,相较前两代产品性能优势显著。

毛开礼介绍,第三代半导体材料有非常独特优异的性能优势。宽禁带,单个器件可以承载上万伏电压;热导率高,工作可靠性强;载流子迁移率高、工作频率大,省电节能;把这些优异性能全部整合在碳化硅材料之上,其性能就会指数级地提升,用途也会更为广泛。

毛开礼还介绍,碳化硅晶片是5G芯片最理想的衬底。而5G通讯即将带来的生活的便捷高效,带来物联方式的变革,将推动整个经济社会的大变革。碳化硅材料应用还可以推动碳达峰、碳中和。比如未来新能源汽车对燃油汽车的替代等,都会带来极大的市场变革。

有“拳头”产品和“龙头”企业的引领带动,山西省抢抓机遇进行优先布局。在技术研发平台方面,山西省已建成两户省级行业技术中心,以及4户省级企业技术中心,已建和在建数个高端创新平台。其中在“芯”方面将以太原、忻州为核心,以碳化硅、氮化镓第三代半导体等为重点,形成碳化硅、芯片设计、芯片制造等全产业链产品体系,正在全力打造太原、忻州半导体产业集群。(记者 王海滨)

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