碳化硅領(lǐng)導(dǎo)二次電子革命

隨著生產(chǎn)工藝提高以及價格的下降，碳化硅晶片正有可能全面替代硅，而成為今后半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的首選。

俄亥俄州克里夫蘭，美國宇航局格林研究中心的實驗室里，圓形的發(fā)熱器上擺放著一枚芯片。它很小，只有5 毫米見方。燈光暗下來，電源接通，發(fā)熱器底部的電阻逐漸將緊貼著的芯片加熱。隨著溫度升高，電阻絲和芯片同時放射出半透明的紅光，在黑暗的屋子里很是顯眼。數(shù)據(jù)顯示此時芯片的溫度已經(jīng)達到650℃，而芯片的各項性狀仍然正常——它還能用。

格林研究中心的項目是為美國的太空計劃服務(wù)的。被測試的這塊芯片今后將應(yīng)用于飛船上的電子設(shè)備。與一般的芯片不同，它不是用硅制造的，而是用碳化硅。目前，隨著生產(chǎn)工藝提高以及價格的下降，這種材料正有可能全面替代硅，而成為今后半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的首選。

高溫下工作的碳化硅

幾十年來，硅晶片一直領(lǐng)銜著計算機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，然而它的地位正在發(fā)生動搖。iPod、Kindle 以及3G 手機的出現(xiàn)都在提醒著人們，電子設(shè)備日益小型化是不可阻擋的趨勢。這需要讓電路變得更小，在更緊張的空間里放置更多的晶體管。但是隨著設(shè)備體積的縮小，以硅材料為基礎(chǔ)的晶體管電路正面臨物理極限——最起碼，電路必須考慮散熱的需要。2008 年，在美國計算機學會舉行的一次計算機研討會上，賓夕法尼亞州立大學的蘇曼#8226; 達塔(Suman Datta)甚至認為，傳統(tǒng)的硅晶片只能維持4 年的時間了。

最早的碳化硅晶片由美國科銳(Cree)公司合成并達到量產(chǎn)。之所以選擇它來替代傳統(tǒng)的硅晶片，主要是看中它的良好性能。

與第一代半導(dǎo)體硅(Si)和第二代半導(dǎo)體砷化鎵(GaAs) 相比，碳化硅具有更強的導(dǎo)熱以及高溫抗氧化性。人們平時所使用的電腦中，普通硅元件只能在150℃以下正常工作，如果換成碳化硅，它的極限溫度高達650℃，將大大減少設(shè)備的降溫負擔。根據(jù)美國空軍的評估，在F-16 戰(zhàn)斗機中使用先進的碳化硅電子設(shè)備，可以相應(yīng)減少對降溫設(shè)備的使用，使該飛機的質(zhì)量減輕幾百千克，工作性能和燃料效率得到提高，工作可靠性更高，維護費用和停工檢修期大大減少。此外，電動汽車以及混合動力車都裝有用來將蓄電池提供的直流電轉(zhuǎn)變成交流電的逆變器，向車輛供應(yīng)15~100 千瓦不等的電力。如果逆變器可以工作在更高的溫度，就可以在設(shè)計的時候減小散熱面積，從而減小逆變器的體積，減輕車重。

碳化硅的另一個優(yōu)勢是優(yōu)秀的導(dǎo)電性。一片碳化硅晶片的內(nèi)阻僅為硅片的百分之一。有資料顯示，使用碳化硅的電力轉(zhuǎn)換類器件，電力損耗量僅是原來的一半。三菱公司目前正在開發(fā)碳化硅元件，他們認為，使用碳化硅有時可以減少70% 的電力損失。

但如果使用碳化硅材料，需要投入大量精力在周邊產(chǎn)品材料的研發(fā)上:以往使用的硅材料在200℃就會停止工作，這樣，它所要求的周邊設(shè)備，如逆變器模塊的封裝材料、焊錫、控制電路、電容器等只要具備200℃以下的耐熱性就足夠了?，F(xiàn)在，碳化硅材料在節(jié)省冷卻裝置的同時，溫度必然會有所升高，這對于周邊產(chǎn)品的耐熱性就提出了更高的要求。

價格不菲

“我們今后的研發(fā)方向主要是將晶片的尺寸做大，減少缺陷提高性價比。”科銳公司的邵先生說。晶體品質(zhì)缺陷，機械加工性能比較差目前仍是碳化硅晶片無法避免的瑕疵。但碳化硅晶片最難解決的問題是價格。由于生產(chǎn)難度和長期以來美國科銳公司的技術(shù)壁壘，碳化硅晶片的價格始終難以下調(diào)。在半導(dǎo)體行業(yè)工作10 年的張斌認為，國產(chǎn)碳化硅晶片的價格并不高，但是碳化硅晶片在市場上的整體價格依然很高。北京天科合達藍光半導(dǎo)體有限公司目前2 英寸晶片的促銷價格是150~250 美元/ 片，據(jù)該公司表示，這個價格比科銳要便宜3倍以上， 但如果和硅晶片相比價格仍很懸殊。目前，市場上的一片硅晶片不超過10 美元。與此同時天科合達表示，在促銷期結(jié)束以后晶片的價格仍有上升的趨勢。

對于碳化硅晶片仍然偏高的價格，相關(guān)行業(yè)的很多廠商和技術(shù)人員目前保持著樂觀態(tài)度。日本媒體認為更多碳化硅生產(chǎn)廠商的出現(xiàn)終將使這種材料的價格大幅下降。此外，因為使用碳化硅可以減少某些周邊設(shè)備的使用，最終生產(chǎn)出的產(chǎn)品，如LED、電動汽車逆變器等的價格其實并不比用傳統(tǒng)材料貴多少。一只使用碳化硅晶片的成品LED 比使用藍寶石襯底的僅貴一到兩分錢，但性能卻更加優(yōu)秀。

各國展開的“軍事競賽”

技術(shù)壁壘是碳化硅價格居高不下的重要原因。到目前為止，擁有將碳化硅晶片制成LED 襯底材料技術(shù)專利的只有美國科銳公司。此外能夠自主研制碳化硅晶片的還有德國的SiCrystal 和新日本制鐵。長期以來，中國沒有能力人工合成半導(dǎo)體級別的碳化硅，而國外又對中國實行禁運。這其中，商業(yè)壟斷并不是構(gòu)成技術(shù)壁壘的最根本原因。

碳化硅由于其優(yōu)質(zhì)的性能而被廣泛應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。以美國研制的“黑鳥”F-117A 為例。“黑鳥”曾在海灣戰(zhàn)爭中數(shù)次突破巴格達上空的防線，它全身僅20 多米長，總重量不超過24 噸。這種輕型隱身戰(zhàn)斗機當時總共出動了44 架，完成近1600 次空襲任務(wù)。在制作“黑鳥”的材料中就添加了這種碳化硅。作為一種吸波材料，它使F-117A 可以吸收敵方雷達發(fā)射的雷達波，達到隱身的效果。正是因為可以應(yīng)用在隱身武器以及高精密電子設(shè)備中，多年來各國一直在努力研究碳化硅材料在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。這無疑也對高端碳化硅材料技術(shù)壁壘的形成起到了推波助瀾的作用。

這種技術(shù)壁壘是制約民用碳化硅晶片發(fā)展的最大障礙。2006 年9 月，北京天科合達藍光半導(dǎo)體有限公司的成立使中國擁有了碳化硅晶片的自主研發(fā)能力?！澳壳拔覀冎饕度胧袌龅氖? 英寸和3 英寸的晶片”。即便如此，這和科銳公司仍有一段相當長的距離?？其J公司在上海總部的邵先生表示，現(xiàn)在他們研發(fā)的是6 英寸的碳化硅晶片，3 英寸和4 英寸已經(jīng)達到了量產(chǎn)。而該公司由于長期技術(shù)領(lǐng)先，晶片產(chǎn)銷量占到市場份額的60%~70% 左右。即便如此，碳化硅晶片的前景依然可觀?，F(xiàn)在，汽車、電子器件、逆變器設(shè)備、電力公司等企業(yè)都對這種材料產(chǎn)生了濃厚的興趣。東芝公司在使用碳化硅材料的同時加入了自己的先進技術(shù)。2003 年第三季，該公司采用90 納米工藝批量生產(chǎn)碳化硅芯片。這種產(chǎn)品可用于便攜式無線、高速網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字多媒體等產(chǎn)品。2008 年，他們又演示了采用碳化硅材料制成的逆變器模塊。碳化硅晶片在汽車行業(yè)的市場潛力可能更加寬廣。2006 年，沃爾沃技術(shù)轉(zhuǎn)讓公司開始投資研制碳化硅。豐田汽車的技術(shù)人員也對這種材料給予了充分的重視:“碳化硅具有與汽油發(fā)動機同等的重要性”。2010 年碳化硅材料有望使用在豐田的混合動力汽車上。

生產(chǎn)廠商的發(fā)展速度也突飛猛進。雖然科銳公司的年報數(shù)據(jù)顯示，2006 年~2008 年材料的總銷售額是逐漸下降的，但是該公司的邵先生表示，這主要是因為他們自己的產(chǎn)品消耗得更多，反而證明了市場對碳化硅產(chǎn)品的需求量更大。天科合達與科銳公司所對應(yīng)的客戶群并不相同，“主要是器械方面的客戶”。不過他們也表示:“由于有中科院物理所的技術(shù)支持，可以說在技術(shù)上我們并不比科銳差，最明顯的是從2 英寸到3 英寸我們的研發(fā)時間只有1 年多一點，而科銳用了好幾年。預(yù)計在兩三年之內(nèi)我們的產(chǎn)品可以在國際市場上占20% 左右的份額?！?/p>