5G通信、電動汽車等新興產業對碳化硅材料將產生巨大需求,大力發展碳化硅產業,可引領帶動原材料與設備兩個千億級產業,助力我國加快向高端材料、高端設備制造業轉型發展的步伐。

今年發布的“‘十四五’規劃和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體新材料新技術產業化進程,催生一批高速成長的新材料企業。

科技日報記者7月18日對業內專家進行采訪時發現,他們對我國第三代半導體的發展持積極態度,并認為第三代半導體材料或許可為我們擺脫集成電路被動局面、實現芯片技術追趕和超車提供良機。

碳化硅能優勢顯著、用途廣泛

半導體產業發展至今經歷了3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廣泛應用;而以碳化硅為代表的第三代半導體材料,相較前兩代產品能優勢顯著。

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)生產部經理、高級工程師毛開禮介紹,碳化硅有非常獨特的能優勢。它擁有寬禁帶,使得單個器件可以承載上萬伏電壓;熱導率高,工作可靠強;載流子遷移率高、工作頻率大,省電節能。這些優勢讓碳化硅材料的能呈現指數級提升,用途也更為廣泛。

碳化硅是衛星通信、高壓輸變電、軌道交通、電動汽車、通信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作用。

據中金企信國際咨詢發布,目前我國在5G通信、電動汽車等新興產業的技術水、產業化規模等方面都處于國際優勢地位,將促進我國上游半導體行業的持續發展,進一步提高國內半導體企業在國際市場的影響力,尤其對碳化硅器件將產生巨大的需求。

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域。據介紹,目前的電動汽車續航能力還是個問題。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業集群。

山西爍科總經理李斌告訴記者,現在碳化硅產業正處于高速發展時期,大力發展碳化硅產業,可引領帶動原材料與設備兩個千億級產業,助力我國加快向高端材料、高端設備制造業轉型發展的步伐。

單晶生長工藝正追趕世界先進水

今年1月,湖南省首個第三代半導體產業園及國內首條碳化硅研發生產全產業鏈產線封頂。據介紹,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配套設施建設,項目全面建成投產后,將形成碳化硅研發和生產全產業鏈兩條生產線,生產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域的高質量、低成本、高穩定碳化硅襯底及各類器件。全部建成后預計可實現年產值120億元以上,并可帶動上下游配套產業產值預計超1000億元。

碳化硅單晶的制備一直是全球難題,而高穩定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,且長期對我國進行技術封鎖。我國半導體材料長期依賴進口,由此帶來的問題就是半導體材料價格昂貴、渠道不穩,隨時都可能面對斷供的風險,而且產品的質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,不僅需要經歷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。在生長的過程中即便只出現一絲肉眼無法察覺的管洞,也可能影響晶體的生長質量。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定生長環境,恰恰是晶體生長最核心的技術。要想生產出高質量的碳化硅晶片,就必須攻克這些技術難關。

山西爍科經過反復鉆研攻關,最終完全掌握了這項技術,打破了國外壟斷,實現了高純度碳化硅單晶的商業化量產?,F在,山西爍科碳化硅半導體材料產能國內第一,市場占有率超過50%。

山西爍科粉料部經理馬康夫介紹,碳化硅晶片之所以如此珍貴,除了它應用范圍廣泛外,還因為其生產技術非常不易掌握。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鍵技術。

市場潛力還遠未被全部挖掘

碳化硅由于化學能穩定、導熱系數高、熱膨脹系數小、耐磨能好,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壁,可提高其耐磨而延長使用壽命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,并便于控制化學成分,提高鋼的質量;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,發展碳化硅等第三代半導體材料的研發及產業化項目,還投資7億元在浙江紹興建成了碳化硅襯底片項目;華大半導體在浙江寧波投資10.5億元的項目,計劃年產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業園,有望打破碳化硅晶體襯底片依賴進口的局面;ROHM-臻驅科技在上海聯合成立的實驗室,致力于開發、測試及推廣以碳化硅為基礎材料的功率半導體技術……

毛開禮表示,雖然碳化硅可被應用于新能源汽車、高鐵機車、航空航天和無線通信等多個領域,可謂“萬物皆可碳化硅”,但碳化硅的市場潛力還遠未被挖掘,如果從產業鏈中游來看,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展的一大動力。

(記者 王海濱)