碳化硅領導二次電子革命

隨著生產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，而成為今后半導體產業的首選。

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。數據顯示此時芯片的溫度已經達到650℃，而芯片的各項性狀仍然正?！€能用。

格林研究中心的項目是為美國的太空計劃服務的。被測試的這塊芯片今后將應用于飛船上的電子設備。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，而成為今后半導體產業的首選。

高溫下工作的碳化硅

幾十年來，硅晶片一直領銜著計算機產業的發展，然而它的地位正在發生動搖。iPod、Kindle 以及3G 手機的出現都在提醒著人們，電子設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。但是隨著設備體積的縮小，以硅材料為基礎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。之所以選擇它來替代傳統的硅晶片，主要是看中它的良好性能。

與第一代半導體硅(Si)和第二代半導體砷化鎵(GaAs) 相比，碳化硅具有更強的導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℃，將大大減少設備的降溫負擔。根據美國空軍的評估，在F-16 戰斗機中使用先進的碳化硅電子設備，可以相應減少對降溫設備的使用，使該飛機的質量減輕幾百千克，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變成交流電的逆變器，向車輛供應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。

碳化硅的另一個優勢是優秀的導電性。一片碳化硅晶片的內阻僅為硅片的百分之一。有資料顯示，使用碳化硅的電力轉換類器件，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品材料的研發上: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。現在，碳化硅材料在節省冷卻裝置的同時，溫度必然會有所升高，這對于周邊產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。由于生產難度和長期以來美國科銳公司的技術壁壘，碳化硅晶片的價格始終難以下調。在半導體行業工作10 年的張斌認為，國產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體有限公司目前2 英寸晶片的促銷價格是150~250 美元/ 片，據該公司表示，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，相關行業的很多廠商和技術人員目前保持著樂觀態度。日本媒體認為更多碳化硅生產廠商的出現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備的使用，最終生產出的產品，如LED、電動汽車逆變器等的價格其實并不比用傳統材料貴多少。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，但性能卻更加優秀。

各國展開的“軍事競賽”

技術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體級別的碳化硅，而國外又對中國實行禁運。這其中，商業壟斷并不是構成技術壁壘的最根本原因。

碳化硅由于其優質的性能而被廣泛應用在軍事領域。以美國研制的“黑鳥”F-117A 為例。“黑鳥”曾在海灣戰爭中數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。這種輕型隱身戰斗機當時總共出動了44 架，完成近1600 次空襲任務。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射的雷達波，達到隱身的效果。正是因為可以應用在隱身武器以及高精密電子設備中，多年來各國一直在努力研究碳化硅材料在軍事領域的應用。這無疑也對高端碳化硅材料技術壁壘的形成起到了推波助瀾的作用。

這種技術壁壘是制約民用碳化硅晶片發展的最大障礙。2006 年9 月，北京天科合達藍光半導體有限公司的成立使中國擁有了碳化硅晶片的自主研發能力?！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，現在他們研發的是6 英寸的碳化硅晶片，3 英寸和4 英寸已經達到了量產。而該公司由于長期技術領先，晶片產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在，汽車、電子器件、逆變器設備、電力公司等企業都對這種材料產生了濃厚的興趣。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。2003 年第三季，該公司采用90 納米工藝批量生產碳化硅芯片。這種產品可用于便攜式無線、高速網絡和數字多媒體等產品。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的市場潛力可能更加寬廣。2006 年，沃爾沃技術轉讓公司開始投資研制碳化硅。豐田汽車的技術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。

生產廠商的發展速度也突飛猛進。雖然科銳公司的年報數據顯示，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品消耗得更多，反而證明了市場對碳化硅產品的需求量更大。天科合達與科銳公司所對應的客戶群并不相同，“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支持，可以說在技術上我們并不比科銳差，最明顯的是從2 英寸到3 英寸我們的研發時間只有1 年多一點，而科銳用了好幾年。預計在兩三年之內我們的產品可以在國際市場上占20% 左右的份額?！?/p>