中国碳化硅晶片产业化的首倡者 碳化硅晶片产业化

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2020年09月15日 10:26:33
来源:凤凰网综合

半导体科学是国民经济发展的驱动器和重要基石,涉及各个行业领域,半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要基础材料,支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。

近年来,随着科技的发展,第三代半导体材料的重要性凸显,成为支撑新能源汽车、5G通信等领域发展的强力辅助,具有重要的战略地位,已然成为衡量一个国家经济发展、科技进步的重要标志。

天科合达一直致力于中国第三代半导体材料产业的跨越式发展,是中国碳化硅晶片产业化的首倡者,经过多年的努力,掌握了覆盖碳化硅晶片生产的“设备研制—原料合成—晶体生长—晶体切割—晶片加工—清洗检测”全流程关键技术和工艺,具备规模化供应大尺寸、高品质碳化硅晶片的生产能力。形成了“以碳化硅晶片为核心,覆盖其他碳化硅产品和碳化硅单晶生长炉”的业务主线,实现了6英寸碳化硅晶片的产业化。2017年,公司生产的“大尺寸碳化硅晶片”和“2-6英寸SiC晶体生长炉”获得北京市科委、市发展改革委等6家国家机关/部门共同颁发的“北京市新技术新产品”证书。

凤凰网:电动汽车、5G通信、航空航天、消费电子等领域,碳化硅晶片有着广阔的应用前景,“碳化硅晶片”的研究和产业化应用有哪些优势?

天科合达彭同华:碳化硅晶片的应用优势有很多,要了解碳化硅晶片的应用优势,就要首先了解碳化硅晶片的应用领域。碳化硅晶片的应用领域主要有两个方面:一是制造电力电子器件,如二极管、晶体管等,主要用在电能的转换和控制领域;碳化硅晶片用在这个领域的最典型优势是:整体电能转换装置的体积大幅度减小,重量大幅度减轻,电能转换效率高、损耗低,具有显著的节能效果。二是制造射频微波器件,如高速电子迁移率晶体管等,主要用在通讯领域,碳化硅晶片用在这个领域的最典型优势是:数据传输速度快,低延时。

凤凰网:作为目前全球最先进的第三代半导体材料,“碳化硅晶片”具有哪些其他新材料所不具备的优势及特点?

彭同华:碳化硅具有禁带宽、热导率高、高临界击穿电场、高饱和电子漂移速率等性能优势。禁带宽度是硅材料的2~3倍;临界击穿电场强度是硅材料的近10倍;热传导率高,是硅材料的3倍;饱和电子漂移速度是硅材料的2倍;抗辐照和化学稳定性好。

禁带宽提高了工作温度和可靠性;高击穿场强提高了耐压能力;高热导率提高了散热能力;高饱和电子漂移速率提高了器件工作频率。强的抗辐射能力,适应在外太空等恶劣环境下工作。因此,碳化硅非常适合于制作抗辐射、耐高温、高频的大功率器件,在5G通信、航空航天、新能源汽车、轨道交通等领域具有广阔应用前景,对我国科技进步、国民经济具有重要意义。

图1:2~6英寸导电4H碳化硅晶片

图2: 新能源汽车

图3: 高速列车

图4:5G基站

凤凰网:要想生产出高质量的“碳化硅晶片”,需要攻克哪些技术难关?请您讲述下在“碳化硅晶片”的产业化过程中几个关键的时间点?

彭同华:我们从基本原理做起,很多基础的实验和基本规律,都是自己一点一点摸索出来的。主要有三个技术难点:一是扩径技术,一个直径4英寸的晶片可做成约1500个芯片,而一个6英寸直径的晶片可做成约3000个芯片,晶片直径尺寸越大,单位面积晶片的制造成本越低,所以不断增大碳化硅晶片直径是产业发展的一个必然趋势。碳化硅晶片尺寸从2英寸逐步扩大到6英寸,其中的关键核心技术是扩径技术。二是晶体生长过程中的缺陷控制技术,晶体的尺寸变大以后,温场发生很大的变化,会带来一系列的问题,譬如碳化硅特有的微管缺陷,夹杂物缺陷,螺位错以及基平面位错缺陷等。要获得高质量的材料,需抑制材料中各种缺陷的形成。三是在攻克扩径技术和晶体缺陷控制技术后,为实现产业化必须保证晶片生产过程中的可重复性和工艺稳定性。

关键时间点:

(1)2006年依托于物理所的碳化硅晶体生长研究成果,天科合达成立并开始了产业化的道路。

(2)2014年11月,天科合达团队人员与中科院物理研究所合作,成功解决了6英寸扩径技术和晶片加工技术,成功研制出了6英寸导电SiC晶片。

(3)2018年,6英寸导电衬底开始小批量供货。2020年,6英寸晶片规模化生产,8英寸晶片产品启动研发。

凤凰网:这项技术产业化的未来前景以及发展趋势是怎样的?

彭同华:近年来,随着高铁列车、新能源汽车、智能电网、光伏发电、机车牵引、大功率输配电,以及当前国家着力推动 5G 通信的快速发展,碳化硅晶片已经成为全国乃至全球的抢手货,市场需求呈现出“井喷式”增长。一些国家甚至将碳化硅晶片的研发和批量生产,作为国家发展战略中的一部分。

随着碳化硅器件向大功率、高电压方向的发展,对晶体的质量要求越来越高,缺陷越来越少;为降低成本,晶体的尺寸需要越做越大。碳化硅晶片之后将以开发大尺寸、高性能单晶衬底产业化技术,开发先进的国产化工艺装备为方向,满足下游器件市场对晶片的需求。

凤凰网: 您在进行“碳化硅晶片产业化”期间,遇到了哪些问题,政府部门提供了怎样的科研环境与产业化条件?

彭同华:碳化硅晶片既是整个碳化硅产业链的最上游,也是整个产业链发展的基础。同时,碳化硅晶片也是整个产业链上技术难度最大的部分,研发投入周期长、质量要求高,需要大量的人才坚持不懈的努力钻研。碳化硅晶片产业化同时也是资金密集型的环节,需要持续性投入大量的科研经费和固定资产投资。天科合达在碳化硅晶片产业化的发展过程中遇到的问题同样也不外乎这两个,自主创新从来都是九死一生。

北京市科委从2009年开始就对整个产业链进行布局,布局范围涵盖第三代半导体相关材料研发、器件设计与工艺开发、封装材料与工艺开发、芯片及模块测试等全产业链,这给了第三代半导体领域科研院所及企业进行技术突破和产业化发展的信心,推动了北京市第三代半导体技术和产业化的发展。另外实施的人才引进工程和人才培养计划,也实现了聚人才与促发展的双赢互动。

北京市科委一直十分支持天科合达的自主创新工作的,从4英寸导电、半绝缘型晶片的研发、产业化到现在的6英寸导电、半绝缘型晶片,北京市科委在经费和政策上都给予了我们很大的支持,可以说我们是在北京市科委一路支持走下来的企业。另外在北京市科委的帮助下促成了天科合达和中科院物理所、半导体所、北京大学等高校院所之间的资源共享,相互合作、共同发展。

凤凰网:说一说您对北京建设具有全球影响力的科技创新中心的建议、希望和祝福。

彭同华:建设具有全球影响力科技创新中心,既是北京发展的迫切需要,也是承担国家战略的使命担当。当前第三代半导体产业的发展符合当前北京市发展高精尖产业重点方向,建立“第三代半导体全国科技创新中心”,优化科技和产业布局,强化企业和高校院所创新主体地位,构建科技创新公共服务体系,这将会更有利于整个产业的发展。祝愿北京可以尽快建成具有全球影响力的科技创新中心,推动更多优秀的科技创新成果在京落地!

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