2020年5月,总书记在考察调研山西转型综合改革示范区时,在中国电科(山西)碳化硅材料产业基地展台前,曾接过一片SiC(碳化硅)单晶片仔细观看,并高兴地说这解决了“卡脖子”问题。 如今近4年时间过去了,当初领导人关切的这个单晶片发展的如何了? 1891年,美国化学家、发明家艾奇逊在做电熔金刚石实验时偶然发现了碳化硅。1893年,艾奇逊进而研究出工业冶炼碳化硅的方法,用来冶炼的设备被命名为“艾奇逊炉”。这个设备一直沿用至今,它通过加热石英和碳的混合物生成碳化硅。 几乎同一时间(1891年),法国化学家亨利·莫瓦桑在火山喷发的陨石中发现了一种非常罕见的晶体,这就是后来命名为"莫桑石"的物质。
在之后的很长一段时间,碳化硅材料作为耐火材料、陶瓷材料在钢铁、机械等传统领域得到了极为广泛的应用。而作为一种晶体虽没有引起过多的关注但也在不断发展,如1959年,荷兰Lely发明一种采用升华法生长高质量单晶体的新方法;1978年,俄罗斯科学家Tairov和Tsvetkov发明了改良的Lely法;1979年,SiC蓝色发光二极管问世。直到2010年8月30日,美国Wolfspeed展示了高品质的150mm碳化硅单晶片,这一突破性进展立即掀起了SiC晶体及相关技术研究的热潮。
而SiC在应用端引起轰动的则来自于特斯拉,2019年,特斯拉作为第一个“吃螃蟹”的车企,大胆的将SiC用到Model 3上,随后其他车厂纷纷效仿,自此,SiC迎来大规模上车的阶段。 一直以来,90%以上的半导体产品是以硅为衬底制成的。究其原因,是硅的储备量大,成本比较低,并且制备比较简单、成熟。然而,硅在光电子领域和高频高功率器件方面的应用并不出彩,且硅在高频下的工作性能较差,不适用于高压应用场景。这些限制让硅基功率器件已经渐渐难以满足新能源车及高铁等新兴应用对器件高功率及高频性能的需求。
相比之下,SiC具有一系列优良的物理化学特性,例如它拥有宽禁带,使得单个器件可以承载上万伏电压;热导率高,工作可靠性强;载流子迁移率高、工作频率大,省电节能。这些优势让SiC半导体材料成为卫星通信、高压输变电、轨道交通、电动汽车、通信基站等重要领域的核心材料。 目前我国在5G通信、电动汽车等新兴产业的技术水平、产业化规模等方面都处于国际优势地位,将促进我国上游半导体行业的持续发展,进一步提高国内半导体企业在国际市场的影响力,尤其对碳化硅器件将产生巨大的需求。 最为关键的是,在第一、二代半导体材料的发展上,我国起步时间远远慢于其他国家,导致处处受制于人,但在第三代半导体材料领域,国内厂商起步与国外厂商相差不多,有很大的希望实现技术上的追赶,完成“换道超车”。
来源:中国粉体网 山川 |