這個(gè)春天里，我國三代半導(dǎo)體新材料產(chǎn)業(yè)萌動(dòng)生發(fā)，蓄勢(shì)待發(fā)。

剛剛閉幕的全國兩會(huì)，第三代半導(dǎo)體成為兩會(huì)的熱詞之一。日前發(fā)布的“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中提出，我國將加速推動(dòng)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(jìn)程，催生一批高速成長的新材料企業(yè)。

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

半導(dǎo)體新材料數(shù)個(gè)千億級(jí)產(chǎn)業(yè)體系呼之欲出

碳化硅是全球最先進(jìn)的第三代半導(dǎo)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(dòng)汽車、通訊基站等重要領(lǐng)域的核心材料，尤其是在航天、國防等領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。

3月17日，山西爍科總經(jīng)理李斌接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)說：“碳化硅產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展時(shí)期，大力發(fā)展碳化硅產(chǎn)業(yè)，可引領(lǐng)帶動(dòng)原材料與設(shè)備兩個(gè)千億級(jí)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。”

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

李斌分析認(rèn)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(dá)6.5億元左右。在當(dāng)今全球大力發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的情況下，十四五末，預(yù)計(jì)國內(nèi)半導(dǎo)體材料企業(yè)原材料需求量將達(dá)千億級(jí)別。

相應(yīng)設(shè)備方面，每生產(chǎn)1萬片碳化硅襯底即需要相應(yīng)檢測設(shè)備總價(jià)值預(yù)計(jì)5000萬左右，到2025年僅山西省內(nèi)碳化硅材料方面設(shè)備需求總計(jì)高達(dá)15億元，國內(nèi)整個(gè)半導(dǎo)體材料行業(yè)設(shè)備需求量總計(jì)也將達(dá)到千億級(jí)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(dòng)汽車。據(jù)介紹，目前的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航還是個(gè)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(dòng)汽車上的應(yīng)用才剛剛起步，但每生產(chǎn)一輛電動(dòng)汽車，至少要消耗一片碳化硅，按照我國電動(dòng)汽車保有量每年增長70%的速度來看，碳化硅僅在電動(dòng)汽車領(lǐng)域就將帶動(dòng)一個(gè)千億級(jí)的產(chǎn)業(yè)集群。

10年磨一劍，奮力追趕世界先進(jìn)技術(shù)

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(xiàng)技術(shù)只掌握在美國人手里，且長期對(duì)我國技術(shù)封鎖。過去，我國的半導(dǎo)體材料長期依賴國外進(jìn)口，由此帶來的問題就是半導(dǎo)體材料價(jià)格昂貴、渠道不穩(wěn)，隨時(shí)都可能面對(duì)禁運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)，而且產(chǎn)品的質(zhì)量也難以得到有效保證，國人備受半導(dǎo)體材料和核心技術(shù) “卡脖子”之痛。

山西爍科經(jīng)過反復(fù)鉆研攻關(guān)，最終完全掌握了這項(xiàng)技術(shù)，實(shí)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?qǐng)?bào)記者來到山西爍科生產(chǎn)車間，數(shù)百臺(tái)碳化硅單晶生長爐整齊地列成一排，生長部經(jīng)理、高級(jí)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(yīng)用范圍廣泛外，還因?yàn)樘蓟璧纳a(chǎn)技術(shù)非常不易。一個(gè)直徑4英寸的晶片一次可以做出1000個(gè)芯片，而直徑6英寸的晶片一次則可以做成3000個(gè)芯片。從4英寸到6英寸，最關(guān)鍵的是晶體的生長。

碳化硅晶體的生長條件十分嚴(yán)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(shí)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(gè)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?yàn)闇囟忍撸y以進(jìn)行人工干預(yù)，所以晶體的生長過程十分容易遭到擾動(dòng)，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(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)。解決這個(gè)技術(shù)難題，他們用了七八年的時(shí)間。這個(gè)七八年，他們分秒必爭、加班加點(diǎn)、連續(xù)爬坡;這個(gè)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(guān)探索以及不計(jì)其數(shù)的失敗教訓(xùn)，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(shì)。”一是裝備優(yōu)勢(shì)。我們的核心裝備全部自主研發(fā)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了一代裝備、一代研發(fā)、一代材料的技術(shù)積累和遞進(jìn)。二是關(guān)鍵原材料優(yōu)勢(shì)。我們的高純度碳化硅粉料實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)生產(chǎn)，成本比進(jìn)口大幅度降低90%。三是工藝技術(shù)優(yōu)勢(shì)。從科研成果到生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)自主產(chǎn)業(yè)化。四是生產(chǎn)管理優(yōu)勢(shì)。

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

碳化硅、氮化鎵的市場潛力還遠(yuǎn)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(shí)還遠(yuǎn)未被全部挖掘。因?yàn)槿绻麖漠a(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(dòng)力。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今經(jīng)歷了三個(gè)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(dǎo)體材料，相較前兩代產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)顯著。

毛開禮介紹，第三代半導(dǎo)體材料有非常獨(dú)特優(yōu)異的性能優(yōu)勢(shì)。寬禁帶，單個(gè)器件可以承載上萬伏電壓;熱導(dǎo)率高，工作可靠性強(qiáng);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(huì)指數(shù)級(jí)地提升，用途也會(huì)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(dòng)整個(gè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的大變革。碳化硅材料應(yīng)用還可以推動(dòng)碳達(dá)峰、碳中和。比如未來新能源汽車對(duì)燃油汽車的替代等，都會(huì)帶來極大的市場變革。

有“拳頭”產(chǎn)品和“龍頭”企業(yè)的引領(lǐng)帶動(dòng)，山西省搶抓機(jī)遇進(jìn)行優(yōu)先布局。在技術(shù)研發(fā)平臺(tái)方面，山西省已建成兩戶省級(jí)行業(yè)技術(shù)中心，以及4戶省級(jí)企業(yè)技術(shù)中心，已建和在建數(shù)個(gè)高端創(chuàng)新平臺(tái)。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(dǎo)體等為重點(diǎn)，形成碳化硅、芯片設(shè)計(jì)、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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)集群。(王海濱)