這個春天里，我國三代半導體新材料產業萌動生發，蓄勢待發。

 

今年，第三代半導體成為兩會的熱詞之一。日前發布的“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要中提出，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。

 

 

業內專家對我國第三代半導體的發展持積極態度，他們提出，第三代半導體材料或許可以成為我們擺脫集成電路被動局面，實現芯片技術追趕和超車的良機。

 

 

碳化硅是全球最先進的第三代半導體材料。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、大功率等優良的物理特性，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，尤其是在航天、國防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接受媒體采訪時說：“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。”

 

李斌說，2020年，山西爍科晶體碳化硅襯底年產能已達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，年復合增長率37%。

 

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可達6.5億元左右。在當今全球大力發展半導體產業的情況下，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，每生產1萬片碳化硅襯底即需要相應檢測設備總價值預計5000萬左右，到2025年僅山西省內碳化硅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型碳化硅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。

 

 

碳化硅單晶的制備一直是全球性難題，而高穩定性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，且長期對我國技術封鎖。過去，我國的半導體材料長期依賴國外進口，由此帶來的問題就是半導體材料價格昂貴、渠道不穩，隨時都可能面對禁運的風險，而且產品的質量也難以得到有效保證，國人備受半導體材料和核心技術 “卡脖子”之痛。

 

山西爍科經過反復鉆研攻關，最終完全掌握了這項技術，實現了高純度碳化硅單晶的商業化量產。記者在山西爍科生產車間看到，數百臺碳化硅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：“碳化硅晶片就在里面安靜地生長。”

 

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，還因為碳化硅的生產技術非常不易。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，也可能影響這個晶體的生長質量。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又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。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，他們跌倒了起來重新開始。最終，他們成功了。

 

“目前我們是國內最大的碳化硅產業生產基地。”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產，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。我們的高純度碳化硅粉料實現了自主研發生產，成本比進口大幅度降低90%。三是工藝技術優勢。從科研成果到生產關鍵技術自主產業化。四是生產管理優勢。

 

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

 

 

5G、智慧交通、新能源已經成為全球發展的方向，但作為上游材料的氮化鎵、碳化硅的市場潛力其實還遠未被全部挖掘。因為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。

 

半導體產業發展至今經歷了三個階段，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體材料，相較前兩代產品性能優勢顯著。

 

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硅材料之上，其性能就會指數級地提升，用途也會更為廣泛。

 

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，帶來物聯方式的變革，將推動整個經濟社會的大變革。碳化硅材料應用還可以推動碳達峰、碳中和。比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。