碳化硅已成為全球半導體產業的前沿和制高點。

       作為新興的戰略先導產業，碳化硅是制造高溫、高頻、大功率半導體器件的理想襯底材料，也是發展第三代半導體產業的關鍵基礎材料。

       法國咨詢機構Yole公司的報告顯示，2012年到2015年，全球碳化硅市場年均增長率將不低于30%，2015年后全球市場將會出現爆發式增長。

       北京天科合達藍光半導體有限公司作為國內首家同時也是規模最大的碳化硅單晶產品的制造及供應商，擁有近300家客戶。《中國科學報》記者日前在采訪中發現，2006年公司成立以來，面對碳化硅制備過程中的諸多技術難題以及國外的技術封鎖，天科合達不僅通過自身努力縮小了與國外的技術差距，還走出了一條值得借鑒的自主創新和產業化之路。

       應用前景廣闊

       在半導體材料領域，一般將硅、鍺等材料稱為第一代半導體材料，將砷化鎵、磷化銦等材料稱為第二代半導體材料，而以碳化硅為代表的寬禁帶半導體材料則被稱為第三代半導體材料。

       如今，碳化硅已成為全球半導體產業的前沿和制高點，擁有廣闊的應用前景。

       首先是高亮度發光二極管（LED）。中科院物理所研究員、天科合達技術發明人陳小龍告訴《中國科學報》記者，由于碳化硅的熱導率高、晶格匹配性好，因此適用于制備大功率、高亮度的LED。

       據陳小龍介紹，目前市場上藍寶石基的LED發光效率可以達到120流明/瓦，而使用碳化硅的LED則能得到200流明/瓦，正處于實驗室研發階段的碳化硅基產品則已經達到300流明/瓦。這種大功率、高亮度的LED，在汽車前大燈、道路照明等領域均有重要的應用價值。

       這一點從碳化硅行業的龍頭企業—美國科銳（Cree）公司的收入上可見一斑。2013年，科銳公司LED產品的營收為8億美元，產品毛利為3.45億美元，毛利潤達43%。

       除了高亮度LED，碳化硅還是制造電力電子器件的理想材料。陳小龍告訴記者，碳化硅具有耐高電壓、耐高溫和節能等特點。同時，使用碳化硅的電力電子器件，體積可以做得非常小。因此，在新能源汽車、太陽能發電、機車牽引以及大功率輸配電等領域，都將發揮重要作用。

       據陳小龍介紹，碳化硅還是射頻微波器件的理想襯底材料，可以提高雷達、通信、電子對抗以及智能武器等的整體性能和可靠性。此外，碳化硅還可以用于制作人工寶石，而通過碳化硅外延生長制備石墨烯的技術也吸引了不少研究者的注意。

       據預測，到2019年，全球碳化硅單晶爐數量將超過3000臺，碳化硅襯底產量將超過200萬片，市場規模將達到20億美元，外延材料市場規模約10億美元。同時，碳化硅的發展還將帶動上游單晶設備、外延設備產業和下游的器件以及模塊等相關產業發展，規模將達數百億美元。

       與國外差距日益縮小

       和很多高新技術類似，我國碳化硅晶體的發展，也同樣是一個追趕國際先進水平的過程。

       據了解，早在1991年，科銳公司就推出了碳化硅晶片產品，而我國的碳化硅晶體研究則從上世紀90年代末才剛剛起步。不過，在國內研究人員的努力之下，我國與國外的技術差距正在被逐漸縮小。

       2011年，科銳公司發布了6英寸碳化硅晶體，并開始小批量銷售。而國內天科合達的4英寸碳化硅晶體2011年已經準備進入量產階段，并從2013年開始進行6英寸碳化硅晶體的研發工作。

       陳小龍告訴記者，我國與國外的技術差距正在縮短。

       一路行來，陳小龍和他的團隊經歷了一系列的艱難險阻。

       陳小龍坦言，1999年剛開始搞碳化硅晶體研究的時候，由于國外對技術嚴格保密，陳小龍和他的團隊只能從基本原理做起，很多基礎的實驗和基本規律，都是自己一點一點摸索出來的。

       到了2006年，在經過7年的辛苦打拼后，陳小龍團隊終于看到了產業化的曙光。不過，在產業化進程中，同樣遭遇了諸多挑戰。

       陳小龍告訴記者，碳化硅從2英寸、4英寸到6英寸的發展過程中，擴晶技術非常關鍵。而且，晶體的尺寸變大以后，溫場發生很大的變化，因此帶來一系列的問題，如相變等，需要投入大量的人力、物力去克服。碳化硅特有的微管等缺陷，對于材料和器件性能具有致命影響，其形成機制需要細致、深入的研究。

       其次，加工的碳化硅晶片厚度只有約0.4毫米，因此，在晶片直徑增加以后，還需要克服晶片變形的問題。

       此外，碳化硅晶片要求表面非常平整，粗糙度在0.3納米以下。這些都對碳化硅的制備形成了挑戰。

       如今，經過不懈努力，天科合達已經建成了碳化硅生長的生產線以及加工、檢測、清洗、封裝的生產線。在碳化硅研發和產業化過程中，天科合達還申請了近30項發明專利，包括3個PCT國際專利,其中已經授權發明專利接近20項。

       產業化經驗

       據陳小龍介紹，目前天科合達正計劃引入新的投資，在北京建立晶體生產基地，并盡快實現6英寸碳化硅晶體的規模化生產。

       對于天科合達這些年走過的自主創新和產業化的道路，陳小龍頗有一番感慨。

       “首先感謝國家的支持。”陳小龍說，“我們最初的基礎研究得到了國家自然科學基金委的支持，產業化過程中又得到了科技部、國家發展改革委、中科院、北京市和新疆生產建設兵團等的支持。可以說，沒有國家的支持，我們不會有今天的成績。”

      如今，天科合達已經是國內最大的碳化硅單晶產品的制造商及供應商，擁有近300家客戶，并帶動了國內碳化硅半導體行業的發展，我國已初步形成了晶體、外延和器件的產業鏈。在陳小龍看來，天科合達能夠取得這樣的發展，還得益于對基礎研究的充分重視。

       “很多人不理解，說搞產業化，有必要如此重視基礎研究嗎？而在我看來，產業化階段的技術水平，恰恰是基礎研究階段積累的體現。”陳小龍說。

       此外，在陳小龍看來，產學研的實質性合作，也是推動碳化硅產業化的重要因素。

       陳小龍告訴記者，這種產學研的實質性合作主要得益于兩個方面。一個是高的反饋效率。“實驗室的基礎研究取得進展后，馬上把得到的新認識、新規律應用到中試生產線，得到反饋后，又立即反饋到實驗室這邊。這種產學研的密切結合，有助于加快產業化的進程。”陳小龍說。

       體制和機制的突破同樣重要。“研究所和投資方按照股份制的方式成立了獨立的公司。研究所和股東大力支持，物理所與天科合達聯合設立了研發中心，并共同承擔科研項目，這使得產學研的結合更為緊密。”陳小龍說。