山西爍科生産的6寸N型碳化矽襯底

半導體新材料數個千億級産業體系呼之欲出

碳化矽是全球最先進的第三代半導體材料。和第一代的矽、第二代的砷化镓材料相比，它具有耐高壓、高頻、大功率等優良的物理特征，是衛星通訊、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，特别是在航天、國家部委等領域有著不可替代的優勢。

3月17日，山西爍科總經理李斌同意媒體采訪時說：“碳化矽産業正處于高速發展時期，大力發展碳化矽産業，可引領帶動原材料與設備兩個千億級産業，助力我國加快向高端材料、高端設備制造業轉型發展的步履。”

李斌說，2020年，山西爍科晶體碳化矽襯底年産能已達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，年複合增長率37%。

李斌分析認爲，目前，碳化矽産業原材料占企業成本的65%，到2025年，僅山西爍科一家企業的原材料需求可達6.5億元左右。在當今全球大力發展半導體産業的情況下，十四五末，預計國內半導體材料企業原材料需求量將達千億級別。

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

N型碳化矽晶片的作用是用于制造電力電子器件，可用于電動汽車。據介紹，目前的電動汽車續航還是個問題。如果用上碳化矽晶片的話，就能在電池不變的情況下，使汽車的續航力增加10%左右。雖然碳化矽在電動汽車上的應用才剛剛起步，但每生産一輛電動汽車，至少要消耗一片碳化矽，比照我國電動汽車保有量每年增長70%的速度來看，碳化矽僅在電動汽車領域就將帶動一個千億級的産業集群。

10年磨一劍，奮力追趕世界先進技術

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闭。过去，我国的半导体材料长期依靠海外进口，由此带来的问题就是半导体材料价格昂贵、渠道不稳，随时都也许面对禁运的风险，同时产品的质量也难以获得有效保证，国人备受半导体材料和核心技术 “卡颈项”之痛。

山西爍科經過反複鑽研攻關，最終完全掌握了這項技術，實現了高純度碳化矽單晶的商業化量産。記者在山西爍科生産車間看到，數百台碳化矽單晶生長爐整齊地列成一排，生長部經理、高級工程師毛開禮說：“碳化矽晶片就在裏面安靜地生長。”

粉料部經理馬康夫介紹，碳化矽晶片之因此如此珍貴，除了它應用範圍廣泛外，還因爲碳化矽的生産技術非常不易。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。

碳化矽晶體的生長條件非常嚴苛，不僅需要經曆高溫還需要壓力精確控制的生長環境，同時這些晶體的生長速度很緩慢，生長質量也不易控制。在生長的過程中即使只出現一絲肉眼無法察覺的管洞，也也许影響這個晶體的生長質量。碳化矽晶體的生長過程就如同“蒙眼繡花”一樣，因爲溫度太高，難以進行人工幹預，因此晶體的生長過程非常容易遭到擾動，而如何在苛刻的生長條件下穩定生長環境恰恰又是晶體生長最核心的技術。要想生産出高質量的碳化矽晶片，就必須攻占這些技術難關。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、連續爬坡;這個七八年，他們摔倒了起來重新開始。最終，他們成功了。

“目前我們是國內最大的碳化矽産業生産基地。”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的失敗教訓，不斷激發了我們的創新活力，也不斷提升了我們創新的能力。山西爍科現在擁有四大優勢。”一是裝備優勢。我們的核心裝備全部自主研發生産，實現了一代裝備、一代研發、一代材料的技術積累和遞進。二是關鍵原材料優勢。我們的高純度碳化矽粉料實現了自主研發生産，成本比進口大幅度降低90%。三是工藝技術優勢。從科研成果到生産關鍵技術自主産業化。四是生産管理優勢。

毛開禮說：“現在，我們的碳化矽晶體材料的核心技術已經站到國際前沿，中文产品的關鍵技術指標已經差距不大，中文产品應用完全可以滿足我國國民經濟建設需求。但是，我們的碳化矽整個産業生態鏈還有待進一步積累優化。”

碳化矽、氮化镓的市場潛力還遠未被全部挖掘

5G、聪明交通、新能源已經成爲全球發展的方向，但作爲上遊材料的氮化镓、碳化矽的市場潛力其實還遠未被全部挖掘。因爲如果從産業鏈中遊來看，我國第三代半導體器件市場有著巨大的增長空間，或能成爲倒逼上遊材料發展的一大動力。

半導體産業發展至今經曆了三個階段，第一代半導體材料以矽爲代表;第二代半導體材料砷化镓也已經廣泛應用;而以氮化镓和碳化矽、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等寬禁帶爲代表的第三代半導體材料，相較前兩代中文产品性能優勢顯著。

毛開禮介紹，第三代半導體材料有非常獨特優異的性能優勢。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，省電節能;把這些優異性能全部整合在碳化矽材料之上，其性能就會指數級地提升，用途也會更爲廣泛。

毛開禮還介紹，碳化矽晶片是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，帶來物聯方法的變革，將推動整個經濟社會的大變革。碳化矽材料應用還可以推動碳達峰、碳中和。譬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”中文产品和“龍頭”企業的引領帶動，山西省搶抓機遇進行優先布局。在技術研發平台方面，山西省已建成兩戶省級行業技術中心，以及4戶省級企業技術中心，已建和在建數個高端創新平台。其中在“芯”方面將以太原、忻州爲核心，以碳化矽、氮化镓第三代半導體等爲重點，形成碳化矽、芯片設計、芯片制造等全産業鏈中文产品體系，正在全力打造太原、忻州半導體産業集群。

來源：科技日報