从“零”起步到行业领跑者
——探访我省唯一量产第三代半导体材料的河北同光晶体有限公司
近日，河北同光晶体有限公司的技术人员在进行碳化硅单晶衬底贴片操作。通讯员孙晓飞摄
“目前5G技术大热，而支撑5G技术的核心基础就是第三代半导体材料。”日前，在保定市高新区河北同光晶体有限公司展厅，该公司董事长郑清超一边为记者展示碳化硅单晶样品，一边介绍第三代半导体材料的市场前景。
郑清超介绍说，碳化硅单晶作为第三代半导体材料的核心代表，处在碳化硅产业链的最前端，是高端芯片产业发展的基础和关键。同光晶体依靠自主研发团队，历时7年时间，爬坡过坎，攻坚克难，不断突破技术瓶颈，在碳化硅单晶领域蹚出了一条赶超国际先进水平的创新之路。作为我省唯一一家能够量产第三代半导体材料的高新技术企业，该公司碳化硅单晶各项技术指标已达世界先进水平，部分关键指标国际领先。
“与其让外国人卡脖子，不如自己干”——从“零”起步，打破国外厂商的技术垄断
走进同光晶体厂区，只见一栋栋新建厂房拔地而起，一台台先进的生产、实验设备正在陆续进场调试。
“今年底还要扩产，新增设备160多台套，建设规模达到年产单晶衬底4万片，明年产值将达到2亿元以上。”熬过了创业初期的艰难，如今，郑清超对未来充满信心，目标是在5至8年内将同光晶体发展成为全球最大的碳化硅单晶研发和生产企业。
2012年以前，郑清超一直在电气行业打拼，生产节电器件。谁也没想到，正当企业做得风生水起时，他却出人意料地卖掉公司股份，掉头“杀”入第三代半导体材料领域。
“以前我采购、生产的所有器件设备，几乎都与半导体材料有关，对这个行业很熟悉，可越熟悉越受刺激。”郑清超告诉记者，第一代、第二代半导体核心技术被国外厂商垄断，大多数关键电子元器件都要高价从国外进口，这常让他感到窝火，“一只国产晶闸管1000多元，进口的要6000多元，但因为国外产品性能好，只好咬牙花高价进口。”
“不能总跟在人家后面跑，与其让外国人卡脖子，不如自己干，弯道超车的机遇就在第三代半导体材料。”郑清超分析，第三代半导体研发刚起步不久，在民用领域还是空白，但其具有宽禁带、耐高温、抗辐射、高电子迁移率、高热导率等特性，是制作大功率、抗辐照及光电集成器件的理想材料，在卫星通信、高压输变电、轨道交通、电动汽车等领域具有广阔的应用价值。
怀着满腔热情，郑清超决定投资建厂，一头扎进了第三代半导体核心材料碳化硅单晶生产领域。没技术，从“零”起步，组建研发团队，依托中科院半导体研究所做技术支撑；缺生产设备，投入巨资，自主研发搭建全新生产系统。“几年里投入高达5亿多元，真是闯过了一道又一道难关。”郑清超说，从技术到产品、从实验室到生产线，整个过程漫长且难熬，经历了无数个失眠夜、彷徨日，甚至想到放弃，但还是咬牙挺了过来。
“恰逢5G技术兴起，再加上品质好，产品一上市便供不应求。”功夫不负有心人，郑清超的坚持终有所获，2017年，同光晶体将4英寸碳化硅晶体制备出来，技术指标达到世界先进水平，不仅成功打破了国外厂商的技术垄断，还受到市场好评。
“拥有自主知识产权，电脑底气才足”——爬坡过坎，解码第三代半导体的生产秘密
在该公司晶体生长车间，记者见到管线一丛丛、一排排密布排列，几十台碳化硅单晶生长炉闪烁着橘红色的光芒，碳粉与硅粉正在炉内经历“千锤百炼”。“百分之百拥有自主知识产权，底气才足。”郑清超说，这是国内最先进的设备之一。
“第三代半导体是典型的技术密集型和资金密集型产业，高良品率、高稳定性的长晶工艺技术和设备是核心所在。”该公司研发总工程师杨昆说，同光晶体采用物理气相传输法生长碳化硅单晶，是目前生长大尺寸、高质量碳化硅单晶的最好方法之一。由于该方法需要控制的工艺参数较多，对晶体中的缺陷控制比较困难，拥有成套的高质量单晶生长工艺设备就显得尤为关键。
“核心设备必须拥有自主知识产权！”郑清超下决心自主研发单晶生长炉设备系统，这个决定的代价是巨大的研发投入和技改成本。他透露，34台生长炉，一周要试制一次，一炉就要消耗掉2万多元，“每进行一次系统改造需要耗资200多万元，近两年仅系统改造就有6次，总费用1000多万元。”
杨昆透露，在研发初期，由于技术团队对单晶生长工艺系统理解不深刻，再加上气路、水路等配套环境不匹配，试制的晶体在位错、应力、微管、空洞等多个指标上都不合格，“每个指标的改进都异常艰难，要做上万次试验才能成功。”
守得云开见月明。随着高纯碳化硅原料合成、晶型和结晶质量控制、籽晶特殊处理等一个个关键技术难题被攻克，同光晶体研发团队不断突破技术瓶颈，已经形成了具备自主知识产权的完整技术路线，授权专利达58项。
目前，同光晶体研发产品已涵盖直径4-6英寸导电型和高纯半绝缘型碳化硅单晶。经检测，各项技术指标均达到世界先进水平，晶片质量可媲美欧美同类产品，填补了国内高端晶片的市场空白。此外，该公司还承担了多个国家和省级重要科技项目，参与课题研发、成果转化，推动国内第三代半导体整体研发水平不断提高。
“发电脑展第三代半导体产业，不能靠单打独斗”——搭建平台，推进全产业链的创新发展
在同光晶体研发生产基地中试车间，“第三代半导体材料联合研究中心”“SIC单晶材料与应用研究联合实验室”“院士工作站”“第三代半导体材料检测平台”等10多个金色铭牌非常显眼。
“别看这小小的晶片，精密度极高，指标达标与否全靠设备检测。”郑清超指着一个4英寸单晶衬底样品说，从前同光晶体没有自己的专业检测设备，每试制一个样品都要去外地检测，十天半月还不见得排上队，干着急没办法。“产品研发不等人，检测数据出不来，下一步就没法进行，白白消耗大量的人力物力和时间成本。”
“干脆投建一个高水平的第三代半导体材料检测专业平台，既能解决自身需求，还可以为国内第三代半导体上下游产业提供服务。”郑清超的想法得到了河北大学、中科院半导体研究所、清华大学材料学院、北京大学宽禁带半导体研究中心等专业机构的支持。2017年11月，由同光晶体牵头组建的“第三代半导体材料检测平台”正式揭牌。
成立检测专业平台，仅是同光晶体促进科技创新资源集成开放和共建共享的一个缩影。郑清超说：“第三代半导体产业包括晶元、外延生长、芯片设计及加工、器件与模块封装、集成应用等多个环节，第三代半导体产业链条长，是个万亿元产业，要想发展第三代半导体产业，不能靠单打独斗。依托产业平台，整合全产业链资源，是推进整个产业链创新发展的必由之路。”
目前，同光晶体又在与有关研究机构合作开展碳化硅衬底异质外延氮化镓技术、超宽禁带半导体材料氮化铝单晶、碳化硅上生长石墨烯等研究项目。此外，该公司还与科研院所、上下游企业联合成立第三代半导体产业技术创新战略联盟，推动产品多元化，向第三代半导体产业上下游及更高精尖的前沿先进材料方向拓展。（记者寇国莹）
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