第三代半導體材料關鍵技術突破者
——記河北工匠、河北同光半導體股份有限公司總工程師楊昆
圖為楊昆（左二）與研發團隊成員一起查看碳化硅單晶生長情況。 通訊員穆貝攝
“目前，5G基站、新能源汽車充電樁、人工智能等新基建火熱進行，而支撐新基建建設的技術核心之一就是第三代半導體材料。”日前，在河北同光半導體股份有限公司（以下簡稱同光股份）展廳，該公司總工程師楊昆一邊為記者展示碳化硅單晶樣品，一邊介紹第三代半導體材料的市場前景。
碳化硅單晶作為第三代半導體材料的核心代表，處在碳化硅產業鏈的最前端，是高端芯片產業發展的基礎和關鍵。入職同光股份任總工程師后，楊昆帶領自主研發團隊，歷時7年時間，不斷突破技術瓶頸，研發的碳化硅單晶各項技術指標已達世界先進水平，部分關鍵指標國際領先。今年，楊昆被評為河北工匠。
不計得失，立志攻克卡脖子難題
走進同光股份淶源廠區，只見一棟棟新建廠房拔地而起，一臺臺先進的生產、實驗設備正在有序運行。
“這里的直徑4-6英寸碳化硅單晶襯底項目在去年9月投產，年產10萬片。”熬過了研發初期的艱難，楊昆對未來發展充滿信心，目標是在未來成為全球重要的碳化硅單晶襯底供應商。
2015年，楊昆從山東大學晶體材料研究所博士畢業，向他拋來橄欖枝的不乏北京的高校、國企、科研院所?？伤艞壉本└咝剑x擇了同光股份。
“當時公司剛成立3年，老板是圈外人，對行業了解少，急需專業人才。他到山東找了兩次，想讓我出任總工程師，全權負責研發工作。”而楊昆也在尋找一個可以自由施展的平臺，實現自己的技術理想。
當時，第三代半導體材料在我國通信、高壓輸變電、軌道交通、電動汽車等領域的應用日益廣泛。“盡管市場需求量大，但嚴重依賴進口。”楊昆說，作為第三代半導體材料的核心代表，制備高純度碳化硅單晶，需要高純度的碳化硅多晶原料?？删退闶窃希仓荒軓膰膺M口。“一千克碳化硅多晶原料要價至少1萬元，但因為國外原料雜質少、純度高，只能咬牙花高價進口。”
這樣的現狀，讓楊昆很窩火。“不能總讓外國人卡脖子，干脆從基礎做起，自己研發生產高純度碳化硅多晶原料。”
可剛上手，楊昆發現公司現有的合成爐、長晶爐等硬件設備，不僅漏氣，冷卻水溫度波動也大，嚴重影響晶體生長穩定性。
硬件設備必須進行升級改造，可廠家最低報價200萬元，這對于初創公司來說，無疑是一筆巨款。楊昆提出取消自己的年底獎金，用來升級設備。“老板拒絕了提議，但看到了我攻克卡脖子難題的決心，堅定了他設備改造的信心。”楊昆說。
楊昆親自參與改造設計，不但節省了大量成本，設備升級順利完成后，各項應用指標也顯示良好，為后期產品研發奠定了堅實基礎。
不懼失敗，打破國外廠商技術壟斷
走進碳化硅單晶生產車間，只見一排排生長爐排列整齊，2000多攝氏度的爐腔跳動著橘紅色光亮，一塊塊碳化硅晶體正在爐內靜靜生長。“薄薄的晶片在爐里能生長成3厘米左右厚度的碳化硅晶體，加工后變成碳化硅單晶襯底，用于制作芯片。”楊昆說。
生產技術成熟穩定的背后，是無數次失敗的洗禮。在碳化硅多晶原料研發初期，雜質含量始終居高不下。嘗試了多種方案，毫無進展。楊昆說，那段時間，大伙在會議室一碰頭就三四個小時，經常錯過飯點，只好泡方便面充饑。
經過數百爐次的合成實驗，最終突破了高純度碳化硅多晶原料合成技術。制備的碳化硅多晶原料中氮、硼、鋁等淺能級雜質濃度從百萬分之一量級降到了近億分之一量級，優于國外在售同類產品，制備成本卻不足國外多晶原料售價的20%。
憑著這股不服輸、敢挑戰的勁頭，楊昆帶領團隊先后攻克了高純碳化硅原料合成、晶型和結晶質量控制等關鍵技術難題，有力支撐了4英寸高純半絕緣碳化硅單晶襯底的量產，打破了國外廠商的技術壟斷，實現了第三代半導體關鍵材料的自主可控。
目前，楊昆團隊的研發產品已涵蓋直徑4-6英寸導電型和高純半絕緣型碳化硅單晶。經檢測，各項技術指標均達到世界先進水平，填補了國內高端晶片的市場空白。形成了具備自主知識產權的完整技術路線，截至目前，取得授權專利達70余項。
搭建平臺，推進產業鏈整體創新發展
在同光股份研發生產基地，“第三代半導體材料檢測平臺”的金色銘牌格外閃亮。
“這小小的晶片，需要檢測20余項指標，每一片都要經過專業設備檢測才能確定指標是否達標。”楊昆指著一個6英寸單晶襯底樣品說，創業初期，公司沒有自己的專業檢測設備，每試制一個樣品都要去外地檢測，十天半月也不見得出結果。“檢測數據出不來，下一步就沒法進行，嚴重影響產品研發進度。”
楊昆向公司提議，干脆組建一個高水平的第三代半導體材料檢測專業平臺。楊昆的想法得到了河北大學、中科院半導體研究所、清華大學材料學院等專業機構的支持。經過一年籌備，“第三代半導體材料檢測平臺”在同光股份正式揭牌。“如今，該平臺除了滿足自己的檢測需求，還可為國內第三代半導體上下游產業提供服務。”
以成立檢測專業平臺為契機，楊昆積極推動科技創新資源的開放共享。楊昆認為，第三代半導體產業環節多、鏈條長，要想發展第三代半導體產業，不能單打獨斗。只有依托產業平臺，整合全產業鏈資源，才能推進整個產業鏈創新發展。
目前，楊昆正與有關機構密切合作，開展8英寸及更大直徑導電型碳化硅單晶制備及新型襯底加工工藝的研發探索，拓展在智能光伏、新能源汽車等領域的應用優勢。此外，他還帶領團隊與科研院所、上下游企業開展戰略合作，開展其他寬禁帶半導體體塊材料的研發。（河北日報記者李連成）
