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發(fā)展建言

發(fā)展寄語

編者按：《閎議》訪談節(jié)目由《中國科學院院刊》與中國互聯網新聞中心聯合出品，通過采訪兩院院士及專家學者，深度探討邁入“十四五”的中國社會在各領域的發(fā)展前路。以客觀、精準的解讀，科學、前瞻的思考，為站在“兩個一百年”歷史交匯點上的中國發(fā)展破題解惑，為邁向第二個百年目標貢獻智慧力量。

崇論閎議，尋策問道。

中國網/中國發(fā)展門戶網訊 碳化硅（SiC）晶體是一種性能優(yōu)異的寬禁帶半導體材料，在發(fā)光器件、電力電子器件、射頻微波器件制備等領域具有廣泛的應用。但其晶體生長極其困難，上世紀90年代只有少數發(fā)達國家掌握SiC晶體生長和加工技術。SiC晶體國產化，對避免我國寬禁帶半導體產業(yè)被“卡脖子”至關重要。中國科學院物理研究所碳化硅晶體生長和加工技術研發(fā)及產業(yè)化團隊（以下簡稱“團隊”）自1999年以來，立足自主研發(fā)，從基礎研究到應用研究，突破了從生長設備到高質量SiC晶體生長和加工等關鍵技術，形成了具有自主知識產權的完整技術路線，實現了SiC晶體國產化、產業(yè)化，產生了良好的經濟和社會效益，推動了我國寬禁帶半導體產業(yè)的發(fā)展。團隊因此獲得了中國科學院2020年度科技促進發(fā)展獎。針對第三代半導體核心材料碳化硅的發(fā)展和應用，國際差距以及對促進“雙碳”目標的實現起到的作用等熱點話題，中國科學院物理研究所先進材料和結構分析實驗室主任、團隊負責人陳小龍研究員接受了《閎議》訪談節(jié)目的專訪。   

中國網：目前碳化硅在我國相關產業(yè)領域中的應用情況如何？加快推進其產業(yè)化進程對于“雙碳”目標的實現將起到什么作用？   

陳小龍：碳化硅半導體現在差不多形成一個完整的產業(yè)鏈了，從晶體生長，也就是晶圓制備，到外延生長，到器件，到模塊，到應用，現在國內已經初步建立起來了。

碳化硅屬于第三代半導體材料，和第一代以硅為主、第二代以砷化鎵為主的半導體材料相比，它有很多的優(yōu)點。其中它的帶隙特別大，導熱特別好，耐擊穿場強也特別高，特別適合于做大功率半導體器件。比如說現在的電動汽車，用碳化硅器件做逆變器、電控器件，甚至是車載充電樁，可以做得體積小，重量輕，對于提高電動汽車的續(xù)航里程特別有好處，同時轉換效率高，比較節(jié)能。未來碳化硅器件的發(fā)展將向電壓等級更多、功率更高方向發(fā)展，應用于軌道交通和智能電網等領域。

所有這些應用的驅動力是節(jié)能環(huán)保，符合國家碳達峰、碳中和的總體戰(zhàn)略。 碳化硅材料，由于它的物理特性，功率器件在做頻率轉換的時候，開關特性好，降低能耗，比硅基器件有優(yōu)勢，尤其是在高電壓和高功率的應用場合。從這個意義上講，將來會在越來越多的領域得到應用，達到節(jié)能減排的目的。 另外一方面，碳化硅器件可以在一些溫度較高的場合下應用，我們知道硅基器件在很多場合下都需要冷卻，浪費能源，而碳化硅在很多場合可以直接用，不需要冷卻，起到節(jié)能減排的作用。  

中國網：團隊在碳化硅晶體生長和加工技術研發(fā)過程中，實現核心關鍵技術突破的最大難點是什么？   

陳小龍：從上個世紀50年代，人們就知道碳化硅這個材料的半導體特性很好。但是在材料制備方面一直沒有獲得突破，硅獲得了突破，因此硅材料器件就迅速發(fā)展，一直到今天，硅仍然是微電子領域里最重要的材料。碳化硅一直到上個世紀90年代才有所突破，這個突破主要是以美國科銳公司為代表做的工作。

中科院物理所在1997年就開始部署關于寬禁帶半導體的工作，團隊從1999年開始這方面的研究，當時的情況是在“一窮二白”的條件下，沒有任何技術，也沒有設備，一切從零開始，搭建設備，做一些非常基礎性的實驗，摸清它基本的生長規(guī)律，這個（過程）就用了差不多6年的時間。到2006年，我們能夠做出2英寸的晶體來了，在國內率先開始產業(yè)化的工作。再接下來就是與北京天科合達通力合作把尺寸從小到大，2英寸、4英寸、6英寸，這樣來發(fā)展，因為半導體包括硅就是這樣發(fā)展起來的，尺寸越大，晶圓占整個器件的成本會降低。

這里面我們覺得最大的困難就是，首先在基礎研究方面，它的一些基本規(guī)律，還是很難去探索，因為這個材料在非常高的溫度下，在2300度-2500度進行生長的，難于直接觀察晶體生長情況，這是研究上的難點。另外整個生長過程，涉及到好多問題，包括相變的問題，各個晶型相互轉換的問題，氣氛的控制問題，在生長中怎么樣避免缺陷，尤其一些微觀缺陷的形成等等問題。

進入產業(yè)化階段的最大問題，就是怎么樣提高晶體的良率，也就是長出來之后，它的重復性和穩(wěn)定性一定要高，這個和實驗室研究就不同了。產業(yè)化是一個生產的行為，要求每次生長高度一致，最重要的還是要降低成本，能夠滿足下游客戶的需求。如果質量在不同的批次中有波動，下游客戶是不能接受的。

在基礎研究和生產中，都有各自非常難解決的困難，我們團隊也是經過了20多年，基本上圍繞著這兩個問題，到現在也是一直在往前走。基礎問題還涉及到進一步增加尺寸，6英寸也不是一個截止的尺寸，還有8英寸，每增加尺寸都會帶來新的問題，這是基礎研究的問題。生產中也是同樣的問題，尺寸增長也會帶來新的問題，無論是生長還是后續(xù)加工，都會有新問題出現，都需要不斷去解決。這就是它在研制和產業(yè)化中主要的問題和難點。      

中國網：目前團隊在促進碳化硅產業(yè)化發(fā)展方面，有著怎樣的布局？   

陳小龍：2006年，我們是全國最早開始碳化硅產業(yè)化工作的，初期碰到了很多困難，物理所和投資方，合作成立一家公司，叫北京天科合達半導體股份有限公司，這個公司2006年成立到現在已經15年了，從小到大，現在已經發(fā)展到比較大的規(guī)模了，現在公司已經有大概七八百人的規(guī)模，晶體生長爐有500多臺，包括相應的加工線。主要的生產基地在北京，總部也在北京。2020年的產值是2.3億元人民幣左右，今年還會繼續(xù)增長，不出意外會超過3億元人民幣的產值。這也是趕上了碳化硅產業(yè)處于爆發(fā)開始的階段，因此我預計這個公司會持續(xù)不斷地快速發(fā)展。這個公司一開始就跟物理所密切結合，共同建立了研發(fā)實驗室，在此期間物理所培養(yǎng)了很多學生進入到天科合達，整個的技術研發(fā)能力還是很強的。這也是一個很好的產學研結合的例子。

中國網：目前團隊研發(fā)過程中在自主知識產權方面，取得了哪些成果？   

陳小龍：這個項目我們從一開始做起，早期是物理所，除了發(fā)表文章之外，我們很重視申請專利，較早地申請了一些關鍵專利，保護知識產權。成立公司以后，主要是物理所和公司一起，研發(fā)申請了一批專利。總計有40多項專利，其中6項是國際專利，除此之外我們還擬定了3個國家標準。從2006年開始，我們是全國最早把碳化硅進行產業(yè)化的，因此我們有機會制定一些國家標準。再就是一些行業(yè)標準，數目也有七、八項。接下來這個工作應該是貫穿在整個研究和生產當中的，今后還會不斷去申請專利、撰寫標準等等。

這些專利涉及到整個碳化硅晶體生長，包括后續(xù)加工，幾乎每個工藝環(huán)節(jié)都已經包含。比如設備有設備專利，我們的設備有自主知識產權的設備專利，有晶體生長方法的專利，包括后續(xù)加工的專利，還有我們的產品專利，自主知識產權覆蓋到碳化硅晶體的整個產業(yè)鏈，都是有布局的。

中國網：您認為當前我國寬禁帶半導體材料發(fā)展的機遇和挑戰(zhàn)是什么？   

陳小龍：按照半導體晶圓發(fā)展的規(guī)律，將來尺寸會越做越大，它的驅動力是使得晶圓材料在器件整個成本中占比降低。目前碳化硅材料成本在器件中占比非常高，達到70%，而硅不到10%。我們目前正在做的研發(fā)，是做到8英寸，另外一個工作是千方百計提高晶體良率，提高良率也是降低成本的一種重要途徑。

團隊除了進行碳化硅方面的研究，還做一些其他寬禁帶半導體的研究，比如說氮化鋁，它是另外一種寬禁帶半導體，這個半導體的帶隙更寬一些，它的發(fā)展沒有碳化硅那么快，現在還沒有大規(guī)模地應用，但是未來的前景還是不錯的。

從國家范圍來看，現在國內也有不少做晶圓的企業(yè)也已經起來了，新增的企業(yè)很多，現在至少有10家以上，今后還會變多。現在面臨的一個問題是，我們的質量還是要進一步提高，尺寸也需要進一步加大。

另外我們跟國外最先進水平還有一定差距，雖然不像硅的差距那么大，但是還是有差距，國家應該在各方面大力進行支持，使我們盡快趕上國際最先進的水平，使我們在碳化硅整個產業(yè)鏈中，所有的材料都是我們國家自己生產的，不要（依賴）進口。

中國網：現在我國寬禁帶半導體材料的研究發(fā)展水平國際差距有多大？要縮小差距，需要做哪些努力？  

陳小龍：整個碳化硅寬禁帶半導體，和國際上最先進的水平還是有些差距的，在晶圓方面應該有2-3年的差距，外延方面，研究本身差距不大，但是產業(yè)化方面會有一些差距，良率不如人家高。在器件方面的差距稍稍大一點，有些有3-4年的差距，因為最先進的3300伏的器件，國外已經有進入市場的了，目前國內1200伏的MOS器件，有一兩個企業(yè)剛剛開始成熟，能夠進入市場了。   

為了加快國內碳化硅產業(yè)的發(fā)展，我覺得國家應該出臺一些政策，比如目前最大的用量是車企，電動汽車發(fā)展非常快，去年全國產量也就是100多萬輛，到今年3季度據統計已經超過了200萬輛，2021年全年有望達到300萬輛，發(fā)展是非常迅猛的。現在很多電動汽車是采用了碳化硅器件的，但是大都采用了國外的器件。國家可以出臺一些政策，鼓勵我們的車廠用國產的器件。比如說在稅收上給予一些優(yōu)惠等等措施，這樣可以帶動國內碳化硅器件廠商的發(fā)展，否則的話，還是會被國外碳化硅器件廠商占據中國的市場，因為中國的市場在全球占到40%以上，非常巨大。

中國網：作為新材料領域的領軍科技工作者，面對“十四五”期間我國經濟社會發(fā)展的新形勢、新挑戰(zhàn)、新任務，您對碳化硅產業(yè)化發(fā)展有什么建議？   

陳小龍：回顧整個產業(yè)化走過的15年路程，首先企業(yè)能夠成長起來，必須感謝國家各個部門的大力支持，因為在早期，碳化硅下游產業(yè)沒有牽引，主要是受到包括國家自然科學基金委、科技部、北京市、新疆生產建設兵團等等的資金方面的大力支持，應該說國家對科研人員進行科技成果轉化，也是一直不斷出臺新的政策進行鼓勵，作為一名基層科研人員，我的體會是在轉化中，國家政策不錯，一直在鼓勵。做基礎研究是非常重要的，只有掌握了更多的基本規(guī)律，才能把產品做得更好，對產業(yè)化的支撐作用是非常大的。

在產業(yè)化過程中，我覺得有一點可能今后需要注意一下，國家政策不錯，對一個研究機構，負責成果轉化的同志，還要進一步提高他們的積極性，單位里負責產業(yè)化工作的同志們，也有他們的擔心，怕政策把握不準，可能會涉及到國有資產流失等等問題。一個好的做法是，就是給這些負責產業(yè)化的同志們，給獎金也好，給股權也好，給他們大的激勵，讓他們有積極性。現在有的單位已經開始實施。另外一方面，科研工作者和管理者都需要加強自身對政策的學習，能夠在產業(yè)化過程中把握住使得國有資產不會流失，單位的利益要考慮到，個人的利益也考慮到，把這三者的關系理順好。   

（本期策劃：楊柳春、王振紅；編審：楊柳春、王振紅、王虔；編輯：王振紅、楊柳春、武一男；攝像/后期：朱法帥。出品：《中國科學院院刊》、中國互聯網新聞中心；制作：中國網、中國發(fā)展門戶網）

結束語