嘉賓介紹

發展建言

發展寄語

編者按：《閎議》訪談節目由《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/中國發展門戶網訊 碳化硅（SiC）晶體是一種性能優異的寬禁帶半導體材料，在發光器件、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及產業化團隊（以下簡稱“團隊”）自1999年以來，立足自主研發，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的發展。團隊因此獲得了中國科學院2020年度科技促進發展獎。針對第三代半導體核心材料碳化硅的發展和應用，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》訪談節目的專訪。   

中國網：目前碳化硅在我國相關產業領域中的應用情況如何？加快推進其產業化進程對于“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航里程特別有好處，同時轉換效率高，比較節能。未來碳化硅器件的發展將向電壓等級更多、功率更高方向發展，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能環保，符合國家碳達峰、碳中和的總體戰略。 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，這樣來發展，因為半導體包括硅就是這樣發展起來的，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，它的重復性和穩定性一定要高，這個和實驗室研究就不同了。產業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化發展方面，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，現在已經發展到比較大的規模了，現在公司已經有大概七八百人的規模，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處于爆發開始的階段，因此我預計這個公司會持續不斷地快速發展。這個公司一開始就跟物理所密切結合，共同建立了研發實驗室，在此期間物理所培養了很多學生進入到天科合達，整個的技術研發能力還是很強的。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化的，因此我們有機會制定一些國家標準。再就是一些行業標準，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，包括后續加工，幾乎每個工藝環節都已經包含。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展的機遇和挑戰是什么？   

陳小龍：按照半導體晶圓發展的規律，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，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，它的發展沒有碳化硅那么快，現在還沒有大規模地應用，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也已經起來了，新增的企業很多，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，有一兩個企業剛剛開始成熟，能夠進入市場了。   

為了加快國內碳化硅產業的發展，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惠等等措施，這樣可以帶動國內碳化硅器件廠商的發展，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展的新形勢、新挑戰、新任務，您對碳化硅產業化發展有什么建議？   

陳小龍：回顧整個產業化走過的15年路程，首先企業能夠成長起來，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律，才能把產品做得更好，對產業化的支撐作用是非常大的。

在產業化過程中，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、中國發展門戶網）

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