嘉賓介紹

發(fā)展建言

發(fā)展寄語(yǔ)

編者按：《閎議》訪談節(jié)目由《中國(guó)科學(xué)院院刊》與中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)新聞中心聯(lián)合出品，通過(guò)采訪兩院院士及專家學(xué)者，深度探討邁入“十四五”的中國(guó)社會(huì)在各領(lǐng)域的發(fā)展前路。以客觀、精準(zhǔn)的解讀，科學(xué)、前瞻的思考，為站在“兩個(gè)一百年”歷史交匯點(diǎn)上的中國(guó)發(fā)展破題解惑，為邁向第二個(gè)百年目標(biāo)貢獻(xiàn)智慧力量。

崇論閎議，尋策問(wèn)道。

中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門戶網(wǎng)訊 碳化硅（SiC）晶體是一種性能優(yōu)異的寬禁帶半導(dǎo)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(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。但其晶體生長(zhǎng)極其困難，上世紀(jì)90年代只有少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家掌握SiC晶體生長(zhǎng)和加工技術(shù)。SiC晶體國(guó)產(chǎn)化，對(duì)避免我國(guó)寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)被“卡脖子”至關(guān)重要。中國(guó)科學(xué)院物理研究所碳化硅晶體生長(zhǎng)和加工技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱“團(tuán)隊(duì)”）自1999年以來(lái)，立足自主研發(fā)，從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究，突破了從生長(zhǎng)設(shè)備到高質(zhì)量SiC晶體生長(zhǎng)和加工等關(guān)鍵技術(shù)，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的完整技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了SiC晶體國(guó)產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，推動(dòng)了我國(guó)寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。團(tuán)隊(duì)因此獲得了中國(guó)科學(xué)院2020年度科技促進(jìn)發(fā)展獎(jiǎng)。針對(duì)第三代半導(dǎo)體核心材料碳化硅的發(fā)展和應(yīng)用，國(guó)際差距以及對(duì)促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起到的作用等熱點(diǎn)話題，中國(guó)科學(xué)院物理研究所先進(jìn)材料和結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室主任、團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人陳小龍研究員接受了《閎議》訪談節(jié)目的專訪。   

中國(guó)網(wǎng)：目前碳化硅在我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用情況如何？加快推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程對(duì)于“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)將起到什么作用？   

陳小龍：碳化硅半導(dǎo)體現(xiàn)在差不多形成一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)鏈了，從晶體生長(zhǎng)，也就是晶圓制備，到外延生長(zhǎng)，到器件，到模塊，到應(yīng)用，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)初步建立起來(lái)了。

碳化硅屬于第三代半導(dǎo)體材料，和第一代以硅為主、第二代以砷化鎵為主的半導(dǎo)體材料相比，它有很多的優(yōu)點(diǎn)。其中它的帶隙特別大，導(dǎo)熱特別好，耐擊穿場(chǎng)強(qiáng)也特別高，特別適合于做大功率半導(dǎo)體器件。比如說(shuō)現(xiàn)在的電動(dòng)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(duì)于提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程特別有好處，同時(shí)轉(zhuǎn)換效率高，比較節(jié)能。未來(lái)碳化硅器件的發(fā)展將向電壓等級(jí)更多、功率更高方向發(fā)展，應(yīng)用于軌道交通和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。

所有這些應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)力是節(jié)能環(huán)保，符合國(guó)家碳達(dá)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(zhuǎn)換的時(shí)候，開(kāi)關(guān)特性好，降低能耗，比硅基器件有優(yōu)勢(shì)，尤其是在高電壓和高功率的應(yīng)用場(chǎng)合。從這個(gè)意義上講，將來(lái)會(huì)在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用，達(dá)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(chǎng)合下應(yīng)用，我們知道硅基器件在很多場(chǎng)合下都需要冷卻，浪費(fèi)能源，而碳化硅在很多場(chǎng)合可以直接用，不需要冷卻，起到節(jié)能減排的作用。  

中國(guó)網(wǎng)：團(tuán)隊(duì)在碳化硅晶體生長(zhǎng)和加工技術(shù)研發(fā)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)核心關(guān)鍵技術(shù)突破的最大難點(diǎn)是什么？   

陳小龍：從上個(gè)世紀(jì)50年代，人們就知道碳化硅這個(gè)材料的半導(dǎo)體特性很好。但是在材料制備方面一直沒(méi)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(lǐng)域里最重要的材料。碳化硅一直到上個(gè)世紀(jì)90年代才有所突破，這個(gè)突破主要是以美國(guó)科銳公司為代表做的工作。

中科院物理所在1997年就開(kāi)始部署關(guān)于寬禁帶半導(dǎo)體的工作，團(tuán)隊(duì)從1999年開(kāi)始這方面的研究，當(dāng)時(shí)的情況是在“一窮二白”的條件下，沒(méi)有任何技術(shù)，也沒(méi)有設(shè)備，一切從零開(kāi)始，搭建設(shè)備，做一些非常基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)，摸清它基本的生長(zhǎng)規(guī)律，這個(gè)（過(guò)程）就用了差不多6年的時(shí)間。到2006年，我們能夠做出2英寸的晶體來(lái)了，在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化的工作。再接下來(lái)就是與北京天科合達(dá)通力合作把尺寸從小到大，2英寸、4英寸、6英寸，這樣來(lái)發(fā)展，因?yàn)榘雽?dǎo)體包括硅就是這樣發(fā)展起來(lái)的，尺寸越大，晶圓占整個(gè)器件的成本會(huì)降低。

這里面我們覺(jué)得最大的困難就是，首先在基礎(chǔ)研究方面，它的一些基本規(guī)律，還是很難去探索，因?yàn)檫@個(gè)材料在非常高的溫度下，在2300度-2500度進(jìn)行生長(zhǎng)的，難于直接觀察晶體生長(zhǎng)情況，這是研究上的難點(diǎn)。另外整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程，涉及到好多問(wèn)題，包括相變的問(wèn)題，各個(gè)晶型相互轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，氣氛的控制問(wèn)題，在生長(zhǎng)中怎么樣避免缺陷，尤其一些微觀缺陷的形成等等問(wèn)題。

進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段的最大問(wèn)題，就是怎么樣提高晶體的良率，也就是長(zhǎng)出來(lái)之后，它的重復(fù)性和穩(wěn)定性一定要高，這個(gè)和實(shí)驗(yàn)室研究就不同了。產(chǎn)業(yè)化是一個(gè)生產(chǎn)的行為，要求每次生長(zhǎng)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(zhì)量在不同的批次中有波動(dòng)，下游客戶是不能接受的。

在基礎(chǔ)研究和生產(chǎn)中，都有各自非常難解決的困難，我們團(tuán)隊(duì)也是經(jīng)過(guò)了20多年，基本上圍繞著這兩個(gè)問(wèn)題，到現(xiàn)在也是一直在往前走。基礎(chǔ)問(wèn)題還涉及到進(jìn)一步增加尺寸，6英寸也不是一個(gè)截止的尺寸，還有8英寸，每增加尺寸都會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題，這是基礎(chǔ)研究的問(wèn)題。生產(chǎn)中也是同樣的問(wèn)題，尺寸增長(zhǎng)也會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題，無(wú)論是生長(zhǎng)還是后續(xù)加工，都會(huì)有新問(wèn)題出現(xiàn)，都需要不斷去解決。這就是它在研制和產(chǎn)業(yè)化中主要的問(wèn)題和難點(diǎn)。      

中國(guó)網(wǎng)：目前團(tuán)隊(duì)在促進(jìn)碳化硅產(chǎn)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(guó)最早開(kāi)始碳化硅產(chǎn)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(dá)半導(dǎo)體股份有限公司，這個(gè)公司2006年成立到現(xiàn)在已經(jīng)15年了，從小到大，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到比較大的規(guī)模了，現(xiàn)在公司已經(jīng)有大概七八百人的規(guī)模，晶體生長(zhǎng)爐有500多臺(tái)，包括相應(yīng)的加工線。主要的生產(chǎn)基地在北京，總部也在北京。2020年的產(chǎn)值是2.3億元人民幣左右，今年還會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)，不出意外會(huì)超過(guò)3億元人民幣的產(chǎn)值。這也是趕上了碳化硅產(chǎn)業(yè)處于爆發(fā)開(kāi)始的階段，因此我預(yù)計(jì)這個(gè)公司會(huì)持續(xù)不斷地快速發(fā)展。這個(gè)公司一開(kāi)始就跟物理所密切結(jié)合，共同建立了研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，在此期間物理所培養(yǎng)了很多學(xué)生進(jìn)入到天科合達(dá)，整個(gè)的技術(shù)研發(fā)能力還是很強(qiáng)的。這也是一個(gè)很好的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的例子。

中國(guó)網(wǎng)：目前團(tuán)隊(duì)研發(fā)過(guò)程中在自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面，取得了哪些成果？   

陳小龍：這個(gè)項(xiàng)目我們從一開(kāi)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(qǐng)專利，較早地申請(qǐng)了一些關(guān)鍵專利，保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。成立公司以后，主要是物理所和公司一起，研發(fā)申請(qǐng)了一批專利。總計(jì)有40多項(xiàng)專利，其中6項(xiàng)是國(guó)際專利，除此之外我們還擬定了3個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。從2006年開(kāi)始，我們是全國(guó)最早把碳化硅進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的，因此我們有機(jī)會(huì)制定一些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。再就是一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)目也有七、八項(xiàng)。接下來(lái)這個(gè)工作應(yīng)該是貫穿在整個(gè)研究和生產(chǎn)當(dāng)中的，今后還會(huì)不斷去申請(qǐng)專利、撰寫標(biāo)準(zhǔn)等等。

這些專利涉及到整個(gè)碳化硅晶體生長(zhǎng)，包括后續(xù)加工，幾乎每個(gè)工藝環(huán)節(jié)都已經(jīng)包含。比如設(shè)備有設(shè)備專利，我們的設(shè)備有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)備專利，有晶體生長(zhǎng)方法的專利，包括后續(xù)加工的專利，還有我們的產(chǎn)品專利，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)覆蓋到碳化硅晶體的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，都是有布局的。

中國(guó)網(wǎng)：您認(rèn)為當(dāng)前我國(guó)寬禁帶半導(dǎo)體材料發(fā)展的機(jī)遇和挑戰(zhàn)是什么？   

陳小龍：按照半導(dǎo)體晶圓發(fā)展的規(guī)律，將來(lái)尺寸會(huì)越做越大，它的驅(qū)動(dòng)力是使得晶圓材料在器件整個(gè)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(dá)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(gè)工作是千方百計(jì)提高晶體良率，提高良率也是降低成本的一種重要途徑。

團(tuán)隊(duì)除了進(jìn)行碳化硅方面的研究，還做一些其他寬禁帶半導(dǎo)體的研究，比如說(shuō)氮化鋁，它是另外一種寬禁帶半導(dǎo)體，這個(gè)半導(dǎo)體的帶隙更寬一些，它的發(fā)展沒(méi)有碳化硅那么快，現(xiàn)在還沒(méi)有大規(guī)模地應(yīng)用，但是未來(lái)的前景還是不錯(cuò)的。

從國(guó)家范圍來(lái)看，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)也有不少做晶圓的企業(yè)也已經(jīng)起來(lái)了，新增的企業(yè)很多，現(xiàn)在至少有10家以上，今后還會(huì)變多。現(xiàn)在面臨的一個(gè)問(wèn)題是，我們的質(zhì)量還是要進(jìn)一步提高，尺寸也需要進(jìn)一步加大。

另外我們跟國(guó)外最先進(jìn)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(guó)家應(yīng)該在各方面大力進(jìn)行支持，使我們盡快趕上國(guó)際最先進(jìn)的水平，使我們?cè)谔蓟枵麄€(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中，所有的材料都是我們國(guó)家自己生產(chǎn)的，不要（依賴）進(jìn)口。

中國(guó)網(wǎng)：現(xiàn)在我國(guó)寬禁帶半導(dǎo)體材料的研究發(fā)展水平國(guó)際差距有多大？要縮小差距，需要做哪些努力？  

陳小龍：整個(gè)碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體，和國(guó)際上最先進(jìn)的水平還是有些差距的，在晶圓方面應(yīng)該有2-3年的差距，外延方面，研究本身差距不大，但是產(chǎn)業(yè)化方面會(huì)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(diǎn)，有些有3-4年的差距，因?yàn)樽钕冗M(jìn)的3300伏的器件，國(guó)外已經(jīng)有進(jìn)入市場(chǎng)的了，目前國(guó)內(nèi)1200伏的MOS器件，有一兩個(gè)企業(yè)剛剛開(kāi)始成熟，能夠進(jìn)入市場(chǎng)了。   

為了加快國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我覺(jué)得國(guó)家應(yīng)該出臺(tái)一些政策，比如目前最大的用量是車企，電動(dòng)汽車發(fā)展非常快，去年全國(guó)產(chǎn)量也就是100多萬(wàn)輛，到今年3季度據(jù)統(tǒng)計(jì)已經(jīng)超過(guò)了200萬(wàn)輛，2021年全年有望達(dá)到300萬(wàn)輛，發(fā)展是非常迅猛的。現(xiàn)在很多電動(dòng)汽車是采用了碳化硅器件的，但是大都采用了國(guó)外的器件。國(guó)家可以出臺(tái)一些政策，鼓勵(lì)我們的車廠用國(guó)產(chǎn)的器件。比如說(shuō)在稅收上給予一些優(yōu)惠等等措施，這樣可以帶動(dòng)國(guó)內(nèi)碳化硅器件廠商的發(fā)展，否則的話，還是會(huì)被國(guó)外碳化硅器件廠商占據(jù)中國(guó)的市場(chǎng)，因?yàn)橹袊?guó)的市場(chǎng)在全球占到40%以上，非常巨大。

中國(guó)網(wǎng)：作為新材料領(lǐng)域的領(lǐng)軍科技工作者，面對(duì)“十四五”期間我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的新形勢(shì)、新挑戰(zhàn)、新任務(wù)，您對(duì)碳化硅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有什么建議？   

陳小龍：回顧整個(gè)產(chǎn)業(yè)化走過(guò)的15年路程，首先企業(yè)能夠成長(zhǎng)起來(lái)，必須感謝國(guó)家各個(gè)部門的大力支持，因?yàn)樵谠缙冢蓟柘掠萎a(chǎn)業(yè)沒(méi)有牽引，主要是受到包括國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、北京市、新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)等等的資金方面的大力支持，應(yīng)該說(shuō)國(guó)家對(duì)科研人員進(jìn)行科技成果轉(zhuǎn)化，也是一直不斷出臺(tái)新的政策進(jìn)行鼓勵(lì)，作為一名基層科研人員，我的體會(huì)是在轉(zhuǎn)化中，國(guó)家政策不錯(cuò)，一直在鼓勵(lì)。做基礎(chǔ)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(chǎn)品做得更好，對(duì)產(chǎn)業(yè)化的支撐作用是非常大的。

在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，我覺(jué)得有一點(diǎn)可能今后需要注意一下，國(guó)家政策不錯(cuò)，對(duì)一個(gè)研究機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)成果轉(zhuǎn)化的同志，還要進(jìn)一步提高他們的積極性，單位里負(fù)責(zé)產(chǎn)業(yè)化工作的同志們，也有他們的擔(dān)心，怕政策把握不準(zhǔn)，可能會(huì)涉及到國(guó)有資產(chǎn)流失等等問(wèn)題。一個(gè)好的做法是，就是給這些負(fù)責(zé)產(chǎn)業(yè)化的同志們，給獎(jiǎng)金也好，給股權(quán)也好，給他們大的激勵(lì)，讓他們有積極性。現(xiàn)在有的單位已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施。另外一方面，科研工作者和管理者都需要加強(qiáng)自身對(duì)政策的學(xué)習(xí)，能夠在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中把握住使得國(guó)有資產(chǎn)不會(huì)流失，單位的利益要考慮到，個(gè)人的利益也考慮到，把這三者的關(guān)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(guó)科學(xué)院院刊》、中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)新聞中心；制作：中國(guó)網(wǎng)、中國(guó)發(fā)展門戶網(wǎng)）

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