【闳议】“双碳”目标下碳化硅产业处爆发开始阶段 大尺寸化成技术主流
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编者按：《闳议》访谈节目由《中国科学院院刊》与中国互联网新闻中心联合出品，通过采访两院院士及专家学者，深度探讨迈入“十四五”的中国社会在各领域的发展前路。以客观、精准的解读，科学、前瞻的思考，为站在“两个一百年”历史交汇点上的中国发展破题解惑，为迈向第二个百年目标贡献智慧力量。
崇论闳议，寻策问道。
中国网/中国发展门户网讯 碳化硅（SiC）晶体是一种性能优异的宽禁带半导体材料，在发光器件、电力电子器件、射频微波器件制备等领域具有广泛的应用。但其晶体生长极其困难，上世纪90年代只有少数发达国家掌握SiC晶体生长和加工技术。SiC晶体国产化，对避免我国宽禁带半导体产业被“卡脖子”至关重要。中国科学院物理研究所碳化硅晶体生长和加工技术研发及产业化团队（以下简称“团队”）自1999年以来，立足自主研发，从基础研究到应用研究，突破了从生长设备到高质量SiC晶体生长和加工等关键技术，形成了具有自主知识产权的完整技术路线，实现了SiC晶体国产化、产业化，产生了良好的经济和社会效益，推动了我国宽禁带半导体产业的发展。团队因此获得了中国科学院2020年度科技促进发展奖。针对第三代半导体核心材料碳化硅的发展和应用，国际差距以及对促进“双碳”目标的实现起到的作用等热点话题，中国科学院物理研究所先进材料和结构分析实验室主任、团队负责人陈小龙研究员接受了《闳议》访谈节目的专访。
中国网：目前碳化硅在我国相关产业领域中的应用情况如何？加快推进其产业化进程对于“双碳”目标的实现将起到什么作用？
陈小龙：碳化硅半导体现在差不多形成一个完整的产业链了，从晶体生长，也就是晶圆制备，到外延生长，到器件，到模块，到应用，现在国内已经初步建立起来了。
碳化硅属于第三代半导体材料，和第一代以硅为主、第二代以砷化镓为主的半导体材料相比，它有很多的优点。其中它的带隙特别大，导热特别好，耐击穿场强也特别高，特别适合于做大功率半导体器件。比如说现在的电动汽车，用碳化硅器件做逆变器、电控器件，甚至是车载充电桩，可以做得体积小，重量轻，对于提高电动汽车的续航里程特别有好处，同时转换效率高，比较节能。未来碳化硅器件的发展将向电压等级更多、功率更高方向发展，应用于轨道交通和智能电网等领域。
所有这些应用的驱动力是节能环保，符合国家碳达峰、碳中和的总体战略。 碳化硅材料，由于它的物理特性，功率器件在做频率转换的时候，开关特性好，降低能耗，比硅基器件有优势，尤其是在高电压和高功率的应用场合。从这个意义上讲，将来会在越来越多的领域得到应用，达到节能减排的目的。 另外一方面，碳化硅器件可以在一些温度较高的场合下应用，我们知道硅基器件在很多场合下都需要冷却，浪费能源，而碳化硅在很多场合可以直接用，不需要冷却，起到节能减排的作用。
中国网：团队在碳化硅晶体生长和加工技术研发过程中，实现核心关键技术突破的最大难点是什么？
陈小龙：从上个世纪50年代，人们就知道碳化硅这个材料的半导体特性很好。但是在材料制备方面一直没有获得突破，硅获得了突破，因此硅材料器件就迅速发展，一直到今天，硅仍然是微电子领域里最重要的材料。碳化硅一直到上个世纪90年代才有所突破，这个突破主要是以美国科锐公司为代表做的工作。
中科院物理所在1997年就开始部署关于宽禁带半导体的工作，团队从1999年开始这方面的研究，当时的情况是在“一穷二白”的条件下，没有任何技术，也没有设备，一切从零开始，搭建设备，做一些非常基础性的实验，摸清它基本的生长规律，这个（过程）就用了差不多6年的时间。到2006年，我们能够做出2英寸的晶体来了，在国内率先开始产业化的工作。再接下来就是与北京天科合达通力合作把尺寸从小到大，2英寸、4英寸、6英寸，这样来发展，因为半导体包括硅就是这样发展起来的，尺寸越大，晶圆占整个器件的成本会降低。
这里面我们觉得最大的困难就是，首先在基础研究方面，它的一些基本规律，还是很难去探索，因为这个材料在非常高的温度下，在2300度-2500度进行生长的，难于直接观察晶体生长情况，这是研究上的难点。另外整个生长过程，涉及到好多问题，包括相变的问题，各个晶型相互转换的问题，气氛的控制问题，在生长中怎么样避免缺陷，尤其一些微观缺陷的形成等等问题。
进入产业化阶段的最大问题，就是怎么样提高晶体的良率，也就是长出来之后，它的重复性和稳定性一定要高，这个和实验室研究就不同了。产业化是一个生产的行为，要求每次生长高度一致，最重要的还是要降低成本，能够满足下游客户的需求。如果质量在不同的批次中有波动，下游客户是不能接受的。
在基础研究和生产中，都有各自非常难解决的困难，我们团队也是经过了20多年，基本上围绕着这两个问题，到现在也是一直在往前走。基础问题还涉及到进一步增加尺寸，6英寸也不是一个截止的尺寸，还有8英寸，每增加尺寸都会带来新的问题，这是基础研究的问题。生产中也是同样的问题，尺寸增长也会带来新的问题，无论是生长还是后续加工，都会有新问题出现，都需要不断去解决。这就是它在研制和产业化中主要的问题和难点。
中国网：目前团队在促进碳化硅产业化发展方面，有着怎样的布局？
陈小龙：2006年，我们是全国最早开始碳化硅产业化工作的，初期碰到了很多困难，物理所和投资方，合作成立一家公司，叫北京天科合达半导体股份有限公司，这个公司2006年成立到现在已经15年了，从小到大，现在已经发展到比较大的规模了，现在公司已经有大概七八百人的规模，晶体生长炉有500多台，包括相应的加工线。主要的生产基地在北京，总部也在北京。2020年的产值是2.3亿元人民币左右，今年还会继续增长，不出意外会超过3亿元人民币的产值。这也是赶上了碳化硅产业处于爆发开始的阶段，因此我预计这个公司会持续不断地快速发展。这个公司一开始就跟物理所密切结合，共同建立了研发实验室，在此期间物理所培养了很多学生进入到天科合达，整个的技术研发能力还是很强的。这也是一个很好的产学研结合的例子。
中国网：目前团队研发过程中在自主知识产权方面，取得了哪些成果？
陈小龙：这个项目我们从一开始做起，早期是物理所，除了发表文章之外，我们很重视申请专利，较早地申请了一些关键专利，保护知识产权。成立公司以后，主要是物理所和公司一起，研发申请了一批专利。总计有40多项专利，其中6项是国际专利，除此之外我们还拟定了3个国家标准。从2006年开始，我们是全国最早把碳化硅进行产业化的，因此我们有机会制定一些国家标准。再就是一些行业标准，数目也有七、八项。接下来这个工作应该是贯穿在整个研究和生产当中的，今后还会不断去申请专利、撰写标准等等。
这些专利涉及到整个碳化硅晶体生长，包括后续加工，几乎每个工艺环节都已经包含。比如设备有设备专利，我们的设备有自主知识产权的设备专利，有晶体生长方法的专利，包括后续加工的专利，还有我们的产品专利，自主知识产权覆盖到碳化硅晶体的整个产业链，都是有布局的。
中国网：您认为当前我国宽禁带半导体材料发展的机遇和挑战是什么？
陈小龙：按照半导体晶圆发展的规律，将来尺寸会越做越大，它的驱动力是使得晶圆材料在器件整个成本中占比降低。目前碳化硅材料成本在器件中占比非常高，达到70%，而硅不到10%。我们目前正在做的研发，是做到8英寸，另外一个工作是千方百计提高晶体良率，提高良率也是降低成本的一种重要途径。
团队除了进行碳化硅方面的研究，还做一些其他宽禁带半导体的研究，比如说氮化铝，它是另外一种宽禁带半导体，这个半导体的带隙更宽一些，它的发展没有碳化硅那么快，现在还没有大规模地应用，但是未来的前景还是不错的。
从国家范围来看，现在国内也有不少做晶圆的企业也已经起来了，新增的企业很多，现在至少有10家以上，今后还会变多。现在面临的一个问题是，我们的质量还是要进一步提高，尺寸也需要进一步加大。
另外我们跟国外最先进水平还有一定差距，虽然不像硅的差距那么大，但是还是有差距，国家应该在各方面大力进行支持，使我们尽快赶上国际最先进的水平，使我们在碳化硅整个产业链中，所有的材料都是我们国家自己生产的，不要（依赖）进口。
中国网：现在我国宽禁带半导体材料的研究发展水平国际差距有多大？要缩小差距，需要做哪些努力？
陈小龙：整个碳化硅宽禁带半导体，和国际上最先进的水平还是有些差距的，在晶圆方面应该有2-3年的差距，外延方面，研究本身差距不大，但是产业化方面会有一些差距，良率不如人家高。在器件方面的差距稍稍大一点，有些有3-4年的差距，因为最先进的3300伏的器件，国外已经有进入市场的了，目前国内1200伏的MOS器件，有一两个企业刚刚开始成熟，能够进入市场了。
为了加快国内碳化硅产业的发展，我觉得国家应该出台一些政策，比如目前最大的用量是车企，电动汽车发展非常快，去年全国产量也就是100多万辆，到今年3季度据统计已经超过了200万辆，2021年全年有望达到300万辆，发展是非常迅猛的。现在很多电动汽车是采用了碳化硅器件的，但是大都采用了国外的器件。国家可以出台一些政策，鼓励我们的车厂用国产的器件。比如说在税收上给予一些优惠等等措施，这样可以带动国内碳化硅器件厂商的发展，否则的话，还是会被国外碳化硅器件厂商占据中国的市场，因为中国的市场在全球占到40%以上，非常巨大。
中国网：作为新材料领域的领军科技工作者，面对“十四五”期间我国经济社会发展的新形势、新挑战、新任务，您对碳化硅产业化发展有什么建议？
陈小龙：回顾整个产业化走过的15年路程，首先企业能够成长起来，必须感谢国家各个部门的大力支持，因为在早期，碳化硅下游产业没有牵引，主要是受到包括国家自然科学基金委、科技部、北京市、新疆生产建设兵团等等的资金方面的大力支持，应该说国家对科研人员进行科技成果转化，也是一直不断出台新的政策进行鼓励，作为一名基层科研人员，我的体会是在转化中，国家政策不错，一直在鼓励。做基础研究是非常重要的，只有掌握了更多的基本规律，才能把产品做得更好，对产业化的支撑作用是非常大的。
在产业化过程中，我觉得有一点可能今后需要注意一下，国家政策不错，对一个研究机构，负责成果转化的同志，还要进一步提高他们的积极性，单位里负责产业化工作的同志们，也有他们的担心，怕政策把握不准，可能会涉及到国有资产流失等等问题。一个好的做法是，就是给这些负责产业化的同志们，给奖金也好，给股权也好，给他们大的激励，让他们有积极性。现在有的单位已经开始实施。另外一方面，科研工作者和管理者都需要加强自身对政策的学习，能够在产业化过程中把握住使得国有资产不会流失，单位的利益要考虑到，个人的利益也考虑到，把这三者的关系理顺好。
（本期策划：杨柳春、王振红；编审：杨柳春、王振红、王虔；编辑：王振红、杨柳春、武一男；摄像/后期：朱法帅。出品：《中国科学院院刊》、中国互联网新闻中心；制作：中国网、中国发展门户网）