碳化硅：实现国产材料的中国梦,本文是中国梦类有关学术论文怎么写跟碳化硅和中国梦和国产材料方面论文写作参考范文.
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本刊记者/ 刘 馨
随着5G移动通讯技术、高压智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、移动互联、海亮光存储、可见光通讯等市场巨大拉动,全球对以碳化硅（S i C）和氮化镓（G a N）为代表的具有带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强等特征的宽禁带半导体材料（亦称“第3代半导体材料”）活跃度日益提高,产业进入了快速发展阶段.
法国悠乐（Y o l e）公司7月公布的最新数据显示,第3代半导体在电力电子行业的发展迅猛,业务扩展很快.其中,来自太阳能和新能源汽车领域的增长对市场的推动尤为显著,2015-2016年来自太阳能和新能源汽车逆变器市场增长了20%以上.第3半导体功率器件性能上的巨大优势及市场需求加速了其市场应用进程,使得这一市场2016-2022年复合增长率将超过30%.
目前,电力电子市场主流为硅（S i）基器件,但随着S i C材料的不断成熟,在全球范围内,高电压高功率领域新兴市场不断涌现.不少业内人士认为,市场的快速增长加快了行业拐点的显现.抓住产业发展的窗口期,这对于国内企业而言十分关键.
国内企业跟跑赶超
由于发达国家早已将第3代半导体列为国家战略,长期给予扶持,不少企业已经掌握高端先进技术.加之国内产业起步晚（晚于发达国家10年以上）,技术和产品受国外封锁,因此,我国在第3代半导体衬底、外延材料、器件的整体技术水平比国际领先水平落后3 ～5年.
S i C功率器件方面,国际市场已经基本形成了美国、欧洲和日本三足鼎立的局面.2015年,美国科锐（C r e e）公司900V电压的S i CM O S F E T晶体管已经面市；2016年,G E公司发布了面向汽车级应用的S i C M O S F E T和S i C二极管；2017年,R o h m在展会推出了碳化硅二极管、晶体管和碳化硅功率模块等全套产品.应用端,苹果公司已在i p h o n e8电源适配器中采用了S i C功率器件；丰田混合动力汽车凯美瑞在驱动系统采用S i C功率器件,本田也在2016年3月上市的燃料电池车（F C V）“C L A R I T Y F U E LCELL”中配备了SiC功率器件.
就材料而言,全球多家企业公布其涉足S i C材料开发及生产,包括美国C r e e、Ⅱ-Ⅵ、D o wC o r n i n g,德国的S i C r y s t a l,日本的N i p p o nSteel、Bridegestone、Denso,韩国的SKC以及瑞典的N o r s t e l.从产品来看,国际主流S i C衬底材料产品已经向6英寸过渡,8英寸衬底样品已经面市.
由于硅（S i）基半导体器件材料90%的依赖进口,因此,在发展之初,我国就高度重视第3代半导体相关材料的开发,试图弯道超车,掌握固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”.
2000年以来,国家通过“863”计划、国家科技支撑计划、国家自然基金、01、02、03重大专项等国家顶层设计规划,对S i C单晶、外延材料和器件研制以及装置进行了积极的探索,北京市等地方政府也依托科技资源优势积极布局,从一定程度上缩小了国内外差距.加之,以L E D产业为代表的光电器件发展势头良好,多年来保持30%的年增长率,为第3代半导体在其他领域的技术研发和产业应用奠定了良好的基础.
尽管产业上与国际水平有一定差距,但国内企业的自主创新能力正在不断加强.目前国内600-2 500V的S i C肖特基二极管（S B D）已经实现量产,目前处在用户验证阶段,形成部分产品销售；3300V S i CSBD、1 200V-3 300V的SiC MOET已开发出原型器件.
产业上,包括北京天科合达半导体股份有限公司（TANKEBLUE,简称“天科合达”）、天岳晶体材料有限公司（S I C C,简称“山东天岳”）在内的多家材料企业已经实现了4英寸S i C衬底材料商业化生产,其中,天科合达实现6英寸S i C衬底的小批量供货能力.国内企业突破了国外材料封锁,在国际上处于产业跟跑阶段,部分领域的技术研发水平达到并跑、赶超阶段.
材料深层次问题探讨
由于半导体产业流程较长,普遍涉及晶体生长、晶片加工、器件制备（包括有源层制备、栅极制备、欧姆接触、钝化层沉积等工艺段）、器件封装至最终应用多个环节,整个产业的成品率或良率与传统的制造业有较大差距.以领域代表性企业美国C r e e公司为例,S i C衬底的成品率也仅达到70%左右.
目前,从国内S i C功率器件的成本构成上看,材料综合成本占到了器件总成本的30%以上,核心材料已成为制约后端器件工艺、成品率、成本控制的关键因素.国际市场上,无论是传统的S i还是目前功率器件和微波器件所采用的S i C衬底,还都普遍存在着交货期长、几乎没有议价空间、产品供不应求的问题.而国内S i C材料企业普遍规模较小,且市场主流产品商业化进程滞后,产品质量存在若干问题,国内器件厂商既不敢用,下游用户也无法承受成本压力.究其原因,笔者列出如下几个以供探讨.
商业化生产能力滞后于科技研发水平
尽管国内6英寸技术路径已经打通,但产品能否能够实现大规模商业化生产,与企业工程化能力及水平直接相关.具体来看,S i C衬底生产主要包括晶体生长和晶体加工2大部分.其中S i C晶体通过的气相工艺（大多数为P V T法）进行生长.与其他半导体材料类似,通过晶体生长设备、生长工艺、原材料、温场、保温材料和籽晶进行生长控制.但S i C晶体中,对籽晶要求与S i不同,不仅要求无瑕疵,还需要大尺寸.因为,籽晶中的任何缺都可能“遗传”到晶体中去,而且S i C也不可能在籽晶直径较小的情况下长出高质量的大尺寸晶体.这对于国内自主研发的生产企业而言,持续提高质籽晶质量才能使生产获得良性循环.
S i C晶体在外场加热的温场（两千多摄氏度）中生长,尺寸越大,温场控制越难.高纯碳化硅粉原材料在升华过程中硅、碳成分的改变,生长室内温度梯度变化及籽晶缺陷的“遗传性”使得晶体生长控制有很大难度.在具体的操作中,需要有经验的工程技术人员对工艺参数进行调节.
S i C材料莫氏硬度9.2,是为数不多的硬度为9的材料之一.在莫氏硬度表中,硬度为10（上限）,而绝大多数矿物的硬度鲜有超过7的.因此,能够用于S i C的研磨加工材料可选种类不多,一般采用金刚石粉,且切割、抛光等加工工艺难度较大.
这些在技术工程化、商品化的过程中暴露的诸多问题,成为国内材料企业技术突破之后面临的突出问题.加之国外高端产品和技术的封锁,迫使材料国内企业不得不在领域进行长期积淀.
国内工业基础较弱,配套有待提高
一般来说,基础材料实际生产水平与国内整个制造业的水平趋同.就SiC晶体生长而言,据国内企业普遍反映,除高纯硅粉外,晶体生长涉及的部分籽晶、高纯碳粉、高纯气体等原材料,以及温场中的石墨坩埚、碳基保温材料等生产物料目前均无法实现国内供应,大多需要进口,使得国产晶体材料制造环节成本增高.
晶体生长设备国产化率不高,目前设备市场由国外企业主导,单晶炉主要设备商包括CCree、Aixtron、LHT等,氮化物晶体生长炉主要由三菱化学供货.国内绝大多数设备从国外进口,仅有个别企业自行开发了生长设备,也有一些企业在进口设备基础上进行仿制,但工艺受制于设备较难得到提升.SiC研磨机、SiC抛光机、SiC外延炉也都主要来自国外厂商.另外,晶体研发及生产过程中使用的检测设备、微观分析仪器昂贵,分析检测手段也相对不足,一定程度上制约企业发展.
全产业链有待形成协同研发机制
半导体行业属于典型的技术与资本双密集产业,第3代半导体材料也不例外,不仅技术门槛极高,而且资金需求量大.
目前S i C晶片材料生产企业主要包括2类商业模式.一类是企业只做产业当中的一个环节,单纯的生产S i C晶片或外延产品,或者是单纯的利用采购的晶片制作器件.这一类商业模式的企业规模普遍较小,市场份额和营业收入也不高.另一类企业覆盖整个设计加工制造全产业链,类似于集成电路产业的垂直整合制造（I D M）,即在生产S i C晶片的同时也进行S i C器件、模块产品的制作及销售,这一类的企业行业积累深,市场份额较高,拥有行业话语权,属于“大玩家”级别.
纵观国内市场,目前具有材料量产能力的企业数量十分有限,且多为单一的晶体材料生产企业.这些企业普遍处于求生存状态,尽管订单数量较多,但客户订单额有限,缺少大订单的完成能力.这导致材料企业对下游客户反馈积累的数据不足,国内材料企业晶体产品控制水平有限,不能与器件厂商一起有效实现产品的快速迭代.而下游器件厂商为了器件工艺验证,又不敢贸然采用缺陷相对较高的国产材料进行设计制作.
与此同时,应用技术涉及能源、交通、信息、装备和自动化等多个领域,多学科交叉、融合的特点明显,从基础研发到工程化应用的创新链很长,而核心材料、器件与应用端分离,无法形成利益共同体,产业一体化实施存在困难.因此,如何通过机制体制创新,打通整个产业的创新链条,形成全产业链协同创新体系,成为上游材料厂商关注的焦点.
实现国产材料的中国梦
当前,材料企业的困惑,暴露出来的已不再是单纯的材料企业本身的发展问题,而是延伸到了整个产业链.材料问题不快速突破,产业创新体系不能有效建立,弯道超车的梦想可能就无法实现.不过,尽管如此,国内产业界已经意识到材料问题的重要性和紧迫性.积极布局,各自发力,实现国产材料突破的“中国梦”.
企业创新发力
从企业层面看,S i C材料、器件、应用的全产业链条已经初步建立.
据不完全统计显示,国内已经形成了天科合达、山东天岳、北京世纪金光半导体有限公司、河北同光晶体有限公司等S i C衬底厂商,瀚天天成电子科技（厦门）有限公司、东莞市天域半导体科技有限公司（T Y S i C）等S i C外延厂商,扬州扬杰电子科技股份有限公司、泰科天润半导体科技（北京）有限公司（Global Power Technology）等SiC器件厂商,嘉兴斯达半导体股份有限公司（Starpower）、河南森源电气股份有限公司等SiC模块厂商.国家电网、株洲南车时代电气股份有限公司等下游用户也深度参与到了产业发展中来.
此外,S i C衬底生产企业天科合达、山东天岳各自分别牵头成立了中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟和中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟,并从材料向产业延伸,以各自不同的角度,围绕全产业链展开上下游合作,建立研发平台,集中突破技术研发、生产制造环节的实际问题,取得一定的成效.其中,中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟还牵头起草并制定了有关材料、模块、应用、检测多项相关团体标准,率先建立起行业的标准体系和检测技术规范.
行业联合整合
作为第3代半导体产业的排头兵,基于G a N材料体系的L E D照明产业率先发展起来.来自第三代半导体产业技术创新战略联盟公布的数据,2016年L E D照明产业整体产值达到5216亿元.尽管发展路径不同,但具有中国特色的“政产学研用”协同创新模式,为第3代半导体产业的发展提供了可借鉴的经验.
2017年6月,第3代半导体产业技术创新战略联盟发布了“第3代半导体创新战略”,提出了振奋人心的2030年行业发展目标：全产业链进入世界先进行列,部分核心关键技术国际引领,产业链核心环节形成1 ～3家世界龙头企业,光电子、电力电子和微波射频全面规模应用,市场渗透率超过70%,国产化率超过70%.
针对目前行业面临的现状及困境,联盟研究制定了第3代半导体发展路线图.针对产业发展过程中暴露的技术研发、公共研发平台建设、创新链打造、产业体系建设等核心问题,提出建设“小核心、大网络、主平台、全体系”的发展路径,并从顶层设计的角度,规划出理性发展路径,通过联盟开展的一系列工作逐步落实.
国家引导资本涌入
2016年12月,国家新材料产业发展领导小组成立,从国家层面进行顶层设计,协调重点难点问题,推动包括第3代半导体材料在内的新材料产业快速发展,为材料企业带来极大利好.
此外,我国成立规模超过1300亿的“国家集成电路产业投资基金”（简称“大基金”）,对半导体全产业链的投资带动效应已经初步显现.据第3代半导体产业技术创新战略联盟公布的数据,在大基金的带动下,民间资金也开始投入第3代半导体产业.2015-2016年已经立项（已经环评公示）的第3代半导体相关项目达18项,总投资金额近180亿元.其中,S i C材料相关投资项目8项,投资额约64亿元.S i C单晶衬底环节,在建项目主要有青海矽珂和芜湖太赫兹,将新增超过10万片SiC单晶的产能.
越来越多的地方政府、社会资本均关注到了材料企业.尽管由于投资建设周期、下游应用、成本突破等问题,第3代半导体材料的大规模爆发尚未显现.不过,各种各样的积极讯号,让产业界看到了国产材料突破的曙光.下一个10年,我们有理由期待中国的材料企业乃至整个第3代半导体产业能够快速活跃于国际产业舞台！
10.3969/j.issn.1008-892X.2017.08.001
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