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创新密码
第五期让我们一起看看
第三代半导体“小巨人”——天科合达
如何从大兴崛起
第三代半导体是指带隙宽度≥2.3eV的宽禁带半导体材料，主要包括碳化硅和氮化镓。相比以硅、锗等材料为主的第一代半导体和以砷化镓等为主的第二代半导体，碳化硅晶片性能优异，是制造耐高压、耐高温、高频、低能耗半导体器件的理想材料，是国家新一代信息技术核心竞争力的重要支撑，拥有广阔的发展前景和应用空间。
第三代半导体产业被认为是极具基础性、前瞻性和战略性的先导产业，是有望实现“换道超车”的产业突破口，行业技术门槛很高。碳化硅晶体生长面临着生长温度高（约2300℃）、温场难以控制、易产生缺陷、晶体构型多（达200多种）、易相变、边缘易自发形核、晶体扩径难等诸多困难，生长大尺寸碳化硅晶体成为重大挑战。
在位于大兴区的天科合达总部展厅，展示着公司自2006年9月成立以来的发展历程。当时，中科院物理所与新疆天富集团联合组建天科合达，率先进入第三代半导体赛道。据新华社报道，通过自主研发和技术积累，天科合达已形成拥有自主知识产权的碳化硅单晶生长炉制造、原料合成、晶体生长、晶体切割、晶片加工、清洗检测和外延片制备等七大关键核心技术体系，覆盖碳化硅材料生产全流程，形成一个研发中心、三家全资子公司和一家控股子公司的规模化业务布局。
天科合达副总经理刘春俊向记者介绍，与传统硅功率器件制作工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上，必须在导电型碳化硅单晶衬底上额外生长与衬底晶相同的外延层，并在外延层上制造各类器件。目前，天科合达的主要产品包括6、8英寸导电型碳化硅衬底、4、6英寸半绝缘型碳化硅衬底、6英寸碳化硅晶体、碳化硅外延片、单晶生长炉等。行业数据显示，天科合达导电型衬底在全球市场的占有率从2019年的6%攀升至2023年的18%。
碳化硅器件具有高功率密度、高频率、低损耗等特性，在电动汽车领域，可以显著优化汽车电驱系统效率，提升能效5%—10%，缓解“续航里程焦虑”。在电力与智能电网领域，可以降低供电系统能耗、简化电路拓扑，提升输变电效率，助力构建智能电网。在轨道牵引领域，碳化硅器件可提高牵引变流设备效率10%以上，满足轨道交通大容量、轻量化等需求。在风电、光伏、储能等新能源领域，碳化硅器件在发电机、逆变器、变流器中也有广泛应用空间，其抗辐射、耐腐蚀性能还特别适用于海上、高原等环境。在5G通讯领域，使用碳化硅基氮化镓射频器件，可以获得良好导热性和高功率密度，成为5G基站功率放大器的主流选择。
天科合达获得的荣誉、资质、认证，摆满展厅一整面墙：2021年成为工业和信息化部认定的专精特新“小巨人”企业，2021—2024年，连续入选全球独角兽企业榜单……今年5月，天科合达刚刚获得全国五一劳动奖状。
在北京（国际）第三代半导体创新发展论坛上，北京市科委、中关村管委会党组成员、副主任龚维幂在致辞中强调，新材料是新型工业化的重要支撑，是国家大力发展的战略性新兴产业，也是加快发展新质生产力、扎实推进高质量发展的重要产业方向。他表示，北京市高度重视并支持第三代半导体技术发展与产业培育，自“十一五”以来围绕材料、器件、装备、应用等全链条布局，对标国际领先水平，相关高校、院所、企业开展前沿技术和关键核心技术攻关，“目前北京市第三代半导体技术水平总体上与国际同步”。天科合达总经理杨建表示，我国在碳化硅晶片领域已经实现“换道超车”。目前，天科合达的产品实现了对国内外客户的全方位供应，成为全球碳化硅晶片的主要供应商之一。
6月5日至7日，2024宽禁带半导体技术创新与应用发展高峰论坛在京举行。天科合达副总经理彭同华作题为《构建更完善产业生态，助力碳化硅行业跨越式发展》的报告，介绍了碳化硅材料的性能与市场应用、发展历史与制备特性。彭同华表示，碳化硅材料产业主要包括衬底、外延、器件、应用4个环节。
彭同华在分析产业生态时指出，碳化硅材料产业经过20多年的发展，随着国产化技术的成熟，量测、制造等设备成本正在不断降低，产业生态正在逐步形成、完善。但是，在自动化系统、信息系统、质量管理体系、标准体系、检测认证等领域仍需全行业继续努力。为了推出具备极致性价比的碳化硅产品，应该实现国产自动化、小型化、节能型、高可靠性的制造设备，国产量测设备应获得行业广泛认可，同时加强国产化重要耗材、辅材的质量提升与管控，形成获得行业广泛采纳的产品和方法标准，加快产品检测认证建设，推进行业自动化、信息化。
“碳化硅衬底技术与质量已经成熟，目前聚焦于进一步降低位错密度，以及各项质量参数的分布收敛性控制。目前，碳化硅功率器件的主要竞争对手是硅器件，只有构建更完善的碳化硅产业生态，才能获得更大的市场规模。”彭同华展望，在碳化硅衬底行业，国内企业已经趋于与国外企业并跑，下一步主要朝更大尺寸、更快生长速度、更厚晶体、更少加工损耗方向发展，打造极致性价比的产品。
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