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       碳化硅已成为全球半导体产业的前沿和制高点。

       作为新兴的战略先导产业，碳化硅是制造高温、高频、大功率半导体器件的理想衬底材料，也是发展第三代半导体产业的关键基础材料。

       法国咨询机构Yole公司的报告显示，2012年到2015年，全球碳化硅市场年均增长率将不低于30%，2015年后全球市场将会出现爆发式增长。

       北京天科合达蓝光半导体有限公司作为国内首家同时也是规模最大的碳化硅单晶产品的制造及供应商，拥有近300家客户。《中国科学报》记者日前在采访中发现，2006年公司成立以来，面对碳化硅制备过程中的诸多技术难题以及国外的技术封锁，天科合达不仅通过自身努力缩小了与国外的技术差距，还走出了一条值得借鉴的自主创新和产业化之路。

       应用前景广阔

       在半导体材料领域，一般将硅、锗等材料称为第一代半导体材料，将砷化镓、磷化铟等材料称为第二代半导体材料，而以碳化硅为代表的宽禁带半导体材料则被称为第三代半导体材料。

       如今，碳化硅已成为全球半导体产业的前沿和制高点，拥有广阔的应用前景。

       首先是高亮度发光二极管（LED）。中科院物理所研究员、天科合达技术发明人陈小龙告诉《中国科学报》记者，由于碳化硅的热导率高、晶格匹配性好，因此适用于制备大功率、高亮度的LED。

       据陈小龙介绍，目前市场上蓝宝石基的LED发光效率可以达到120流明/瓦，而使用碳化硅的LED则能得到200流明/瓦，正处于实验室研发阶段的碳化硅基产品则已经达到300流明/瓦。这种大功率、高亮度的LED，在汽车前大灯、道路照明等领域均有重要的应用价值。

       这一点从碳化硅行业的龙头企业—美国科锐（Cree）公司的收入上可见一斑。2013年，科锐公司LED产品的营收为8亿美元，产品毛利为3.45亿美元，毛利润达43%。

       除了高亮度LED，碳化硅还是制造电力电子器件的理想材料。陈小龙告诉记者，碳化硅具有耐高电压、耐高温和节能等特点。同时，使用碳化硅的电力电子器件，体积可以做得非常小。因此，在新能源汽车、太阳能发电、机车牵引以及大功率输配电等领域，都将发挥重要作用。

       据陈小龙介绍，碳化硅还是射频微波器件的理想衬底材料，可以提高雷达、通信、电子对抗以及智能武器等的整体性能和可靠性。此外，碳化硅还可以用于制作人工宝石，而通过碳化硅外延生长制备石墨烯的技术也吸引了不少研究者的注意。

       据预测，到2019年，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发展，规模将达数百亿美元。

       与国外差距日益缩小

       和很多高新技术类似，我国碳化硅晶体的发展，也同样是一个追赶国际先进水平的过程。

       据了解，早在1991年，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上世纪90年代末才刚刚起步。不过，在国内研究人员的努力之下，我国与国外的技术差距正在被逐渐缩小。

       2011年，科锐公司发布了6英寸碳化硅晶体，并开始小批量销售。而国内天科合达的4英寸碳化硅晶体2011年已经准备进入量产阶段，并从2013年开始进行6英寸碳化硅晶体的研发工作。

       陈小龙告诉记者，我国与国外的技术差距正在缩短。

       一路行来，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年刚开始搞碳化硅晶体研究的时候，由于国外对技术严格保密，陈小龙和他的团队只能从基本原理做起，很多基础的实验和基本规律，都是自己一点一点摸索出来的。

       到了2006年，在经过7年的辛苦打拼后，陈小龙团队终于看到了产业化的曙光。不过，在产业化进程中，同样遭遇了诸多挑战。

       陈小龙告诉记者，碳化硅从2英寸、4英寸到6英寸的发展过程中，扩晶技术非常关键。而且，晶体的尺寸变大以后，温场发生很大的变化，因此带来一系列的问题，如相变等，需要投入大量的人力、物力去克服。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、深入的研究。

       其次，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。

       此外，碳化硅晶片要求表面非常平整，粗糙度在0.3纳米以下。这些都对碳化硅的制备形成了挑战。

       如今，经过不懈努力，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。在碳化硅研发和产业化过程中，天科合达还申请了近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。

       产业化经验

       据陈小龙介绍，目前天科合达正计划引入新的投资，在北京建立晶体生产基地，并尽快实现6英寸碳化硅晶体的规模化生产。

       对于天科合达这些年走过的自主创新和产业化的道路，陈小龙颇有一番感慨。

       “首先感谢国家的支持。”陈小龙说，“我们最初的基础研究得到了国家自然科学基金委的支持，产业化过程中又得到了科技部、国家发展改革委、中科院、北京市和新疆生产建设兵团等的支持。可以说，没有国家的支持，我们不会有今天的成绩。”

      如今，天科合达已经是国内最大的碳化硅单晶产品的制造商及供应商，拥有近300家客户，并带动了国内碳化硅半导体行业的发展，我国已初步形成了晶体、外延和器件的产业链。在陈小龙看来，天科合达能够取得这样的发展，还得益于对基础研究的充分重视。

       “很多人不理解，说搞产业化，有必要如此重视基础研究吗？而在我看来，产业化阶段的技术水平，恰恰是基础研究阶段积累的体现。”陈小龙说。

       此外，在陈小龙看来，产学研的实质性合作，也是推动碳化硅产业化的重要因素。

       陈小龙告诉记者，这种产学研的实质性合作主要得益于两个方面。一个是高的反馈效率。“实验室的基础研究取得进展后，马上把得到的新认识、新规律应用到中试生产线，得到反馈后，又立即反馈到实验室这边。这种产学研的密切结合，有助于加快产业化的进程。”陈小龙说。

       体制和机制的突破同样重要。“研究所和投资方按照股份制的方式成立了独立的公司。研究所和股东大力支持，物理所与天科合达联合设立了研发中心，并共同承担科研项目，这使得产学研的结合更为紧密。”陈小龙说。