陈小龙：做国产碳化硅晶片产业探路者

  从2英寸、3英寸、4英寸到如今的6英寸碳化硅晶片，中国科学院物理研究所科研团队精心打磨了20多年，终于在国内率先实现了碳化硅晶片的自主研发和产业化。

  2018年是碳化硅晶片的发展元年。这一年，北京天科合达半导体股份有限公司（以下简称天科合达）实现了6英寸碳化硅晶片的量产。今年，天科合达已经签订1.7亿元的碳化硅晶片订单。

  “从2英寸、3英寸、4英寸到如今的6英寸碳化硅晶片，中国科学院物理研究所科研团队精心打磨了20多年，终于在国内率先实现了碳化硅晶片的自主研发和产业化。”日前，天科合达首席科学家、中科院物理所研究员陈小龙在接受《中国科学报》采访时感叹道，“碳化硅晶片能从实验室走向市场，我们克服了很多困难。”

  20世纪50～60年代，硅和锗构成了第一代半导体材料，主要使用在于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中。进入20世纪90年代后，砷化镓、磷化铟代表了第二代半导体材料，可用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件。

  与前两代半导体材料相比，第三代半导体材料通常被称为宽禁带半导体材料或高温半导体材料。其中，碳化硅和氮化镓在第三代半导体材料中是发展成熟的代表。

  陈小龙团队长期从事碳化硅单晶生长研究工作，他告诉《中国科学报》：“由于碳化硅和氮化镓的晶格失配小，碳化硅单晶是氮化镓基LED、肖特基二极管、金氧半场效晶体管等器件的理想衬底材料。”

  然而，碳化硅单晶价格非常昂贵。2006年，一片2英寸碳化硅晶片的国际市场行情报价高达500美元仍供不应求。其中，高昂的原材料成本占碳化硅半导体器件价格的10%以上。“碳化硅晶片价格已成为第三代半导体产业高质量发展的瓶颈。”陈小龙说。

  与此同时，下游产业对碳化硅单晶衬底提出了大尺寸的要求。在此背景下，使用先进的碳化硅晶体生长技术，实现规模化生产，降低碳化硅晶片生产所带来的成本，将促进第三代半导体产业的发展，拓展市场需求。

  2006年，中科院物理所依托陈小龙团队在碳化硅领域的研究成果，成立天科合达，专注于开发碳化硅晶体生长炉和碳化硅晶体生长、加工技术及专业设备，建立完整的碳化硅晶片生产线。

  对于天科合达的成立，也有人提出质疑：“搞产业化，用得着如此重视基础研究吗？”在陈小龙看来，产业化阶段的技术水平，恰恰是基础研究阶段积累的体现。

  我国碳化硅晶体的发展长期处在追赶国际领先水平的状态。早在1991年，美国科锐公司就推出了碳化硅晶片产品，而我国的碳化硅晶体研究则从20世纪90年代末才刚刚起步。陈小龙说：“这些年来，在碳化硅晶片领域，我国与国外的技术差距正在缩短。”

  然而，在追赶路上，陈小龙和他的团队经历了一系列的艰难险阻。陈小龙坦言，1999年刚开展碳化硅晶体研究的时候，由于国外对技术严格保密，团队只能从基础原理做起，很多基础的实验和基本规律，都是靠一点一点摸索出来的。

  “碳化硅从2英寸、4英寸到6英寸的发展过程中，扩晶技术最重要。而且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，如相变等，需要投入大量的人力、物力去克服。”陈小龙说，碳化硅特有的微管等缺陷，对于材料和器件性能具有致命影响，其形成机制需要细致、深入地研究。

  此外，“加工的碳化硅晶片厚度只有约0.4毫米，因此，在晶片直径增加以后，还需要克服晶片变形的问题。”陈小龙还指出，碳化硅晶片要求表面非常平整，粗糙度在0.3纳米以下，这些都对碳化硅晶片的制备形成了挑战。

  经过多年的科研攻关，天科合达申请了近30项发明专利，包括3个PCT国际专利，其中已经授权发明专利接近20项。当前，天科合达已经建成了碳化硅生长的生产线以及加工、检测、清洗、封装的生产线。

  据了解，目前全球可以在一定程度上完成碳化硅晶片批量生产的企业只有7家，而中国只有天科合达1家。“多数企业困于研发投入周期长、制造技术难度大的窘境，最终无功而返。”陈小龙说，“我们依托中科院物理所的技术积累，具备了批量生产碳化硅晶片的条件。”

  “2018年，满负荷生产的4英寸导电碳化硅晶片已全部预订完。今年的订单量还在激增，我们正在继续扩充产能。”天科合达常务副总经理彭同华是陈小龙的学生，博士毕业后他就加入公司从事研发技术工作，对于未来的产品营销售卖，他非常乐观。

  如今，碳化硅已成为全世界半导体产业的前沿和制高点，拥有广阔的应用前景。有机构预测，到2019年底，全球碳化硅单晶炉数量将超过3000台，碳化硅衬底产量将超过200万片，市场规模将达到20亿美元，外延材料市场规模约10亿美元。同时，碳化硅的发展还将带动上游单晶设备、外延设备产业和下游的器件以及模块等相关产业高质量发展，规模将达数百亿美元。

  这些年来，陈小龙带领的科研团队和天科合达专注于提高碳化硅晶体的质量，以及大尺寸碳化硅晶体的研发，将先进的碳化硅晶体生长和加工技术产业化，大规模生产和销售具有自主知识产权的碳化硅晶片。

  从实验室迈向市场的道路并非一帆风顺，天科合达成立13年来，大部分时间并未实现盈利，这给陈小龙团队和投资方都带来非常大的压力。“幸运的是我们的投资方从未放弃过对碳化硅技术研发的支持，因为他们清楚，投资实验室里的技术就是要承担这样的风险，同时他们也相信依托中科院物理所的技术支撑，未来可期。”

  天科合达一直在探索中前行。“搞上市、搞股改、优化管理方式，让核心管理人员和技术人员持股作业，以此激发企业的活力和研发能力。”陈小龙表示，“未来几年天科合达还会继续加大研发投入，走自主创新国产化道路。”

  此前，全球只有4家企业可以在一定程度上完成6英寸晶片批量生产，美国有3家，日本有1家。如今，天科合达也跻身其中，打破了国外长期的技术封锁和垄断。

  高新技术企业的核心竞争力还是技术，陈小龙和天科合达的管理层很清楚这一点。彭同华说：“6英寸碳化硅晶片已经实现量产，这也是天科合达打入国际市场的好产品。”目前，天科合达的碳化硅晶片产品已经大量出口至欧美和日本等20多个国家和地区。