第三代半導(dǎo)體材料關(guān)鍵技術(shù)突破者
——記河北工匠、河北同光半導(dǎo)體股份有限公司總工程師楊昆
圖為楊昆（左二）與研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員一起查看碳化硅單晶生長(zhǎng)情況。 通訊員穆貝攝
“目前，5G基站、新能源汽車(chē)充電樁、人工智能等新基建火熱進(jìn)行，而支撐新基建建設(shè)的技術(shù)核心之一就是第三代半導(dǎo)體材料。”日前，在河北同光半導(dǎo)體股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)同光股份）展廳，該公司總工程師楊昆一邊為記者展示碳化硅單晶樣品，一邊介紹第三代半導(dǎo)體材料的市場(chǎng)前景。
碳化硅單晶作為第三代半導(dǎo)體材料的核心代表，處在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的最前端，是高端芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。入職同光股份任總工程師后，楊昆帶領(lǐng)自主研發(fā)團(tuán)隊(duì)，歷時(shí)7年時(shí)間，不斷突破技術(shù)瓶頸，研發(fā)的碳化硅單晶各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已達(dá)世界先進(jìn)水平，部分關(guān)鍵指標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先。今年，楊昆被評(píng)為河北工匠。
不計(jì)得失，立志攻克卡脖子難題
走進(jìn)同光股份淶源廠(chǎng)區(qū)，只見(jiàn)一棟棟新建廠(chǎng)房拔地而起，一臺(tái)臺(tái)先進(jìn)的生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備正在有序運(yùn)行。
“這里的直徑4-6英寸碳化硅單晶襯底項(xiàng)目在去年9月投產(chǎn)，年產(chǎn)10萬(wàn)片。”熬過(guò)了研發(fā)初期的艱難，楊昆對(duì)未來(lái)發(fā)展充滿(mǎn)信心，目標(biāo)是在未來(lái)成為全球重要的碳化硅單晶襯底供應(yīng)商。
2015年，楊昆從山東大學(xué)晶體材料研究所博士畢業(yè)，向他拋來(lái)橄欖枝的不乏北京的高校、國(guó)企、科研院所。可他放棄北京高薪，選擇了同光股份。
“當(dāng)時(shí)公司剛成立3年，老板是圈外人，對(duì)行業(yè)了解少，急需專(zhuān)業(yè)人才。他到山東找了兩次，想讓我出任總工程師，全權(quán)負(fù)責(zé)研發(fā)工作。”而楊昆也在尋找一個(gè)可以自由施展的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自己的技術(shù)理想。
當(dāng)時(shí)，第三代半導(dǎo)體材料在我國(guó)通信、高壓輸變電、軌道交通、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。“盡管市場(chǎng)需求量大，但嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口。”楊昆說(shuō)，作為第三代半導(dǎo)體材料的核心代表，制備高純度碳化硅單晶，需要高純度的碳化硅多晶原料?？删退闶窃?，也只能從國(guó)外進(jìn)口。“一千克碳化硅多晶原料要價(jià)至少1萬(wàn)元，但因?yàn)閲?guó)外原料雜質(zhì)少、純度高，只能咬牙花高價(jià)進(jìn)口。”
這樣的現(xiàn)狀，讓楊昆很窩火。“不能總讓外國(guó)人卡脖子，干脆從基礎(chǔ)做起，自己研發(fā)生產(chǎn)高純度碳化硅多晶原料。”
可剛上手，楊昆發(fā)現(xiàn)公司現(xiàn)有的合成爐、長(zhǎng)晶爐等硬件設(shè)備，不僅漏氣，冷卻水溫度波動(dòng)也大，嚴(yán)重影響晶體生長(zhǎng)穩(wěn)定性。
硬件設(shè)備必須進(jìn)行升級(jí)改造，可廠(chǎng)家最低報(bào)價(jià)200萬(wàn)元，這對(duì)于初創(chuàng)公司來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一筆巨款。楊昆提出取消自己的年底獎(jiǎng)金，用來(lái)升級(jí)設(shè)備。“老板拒絕了提議，但看到了我攻克卡脖子難題的決心，堅(jiān)定了他設(shè)備改造的信心。”楊昆說(shuō)。
楊昆親自參與改造設(shè)計(jì)，不但節(jié)省了大量成本，設(shè)備升級(jí)順利完成后，各項(xiàng)應(yīng)用指標(biāo)也顯示良好，為后期產(chǎn)品研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
不懼失敗，打破國(guó)外廠(chǎng)商技術(shù)壟斷
走進(jìn)碳化硅單晶生產(chǎn)車(chē)間，只見(jiàn)一排排生長(zhǎng)爐排列整齊，2000多攝氏度的爐腔跳動(dòng)著橘紅色光亮，一塊塊碳化硅晶體正在爐內(nèi)靜靜生長(zhǎng)。“薄薄的晶片在爐里能生長(zhǎng)成3厘米左右厚度的碳化硅晶體，加工后變成碳化硅單晶襯底，用于制作芯片。”楊昆說(shuō)。
生產(chǎn)技術(shù)成熟穩(wěn)定的背后，是無(wú)數(shù)次失敗的洗禮。在碳化硅多晶原料研發(fā)初期，雜質(zhì)含量始終居高不下。嘗試了多種方案，毫無(wú)進(jìn)展。楊昆說(shuō)，那段時(shí)間，大伙在會(huì)議室一碰頭就三四個(gè)小時(shí)，經(jīng)常錯(cuò)過(guò)飯點(diǎn)，只好泡方便面充饑。
經(jīng)過(guò)數(shù)百爐次的合成實(shí)驗(yàn)，最終突破了高純度碳化硅多晶原料合成技術(shù)。制備的碳化硅多晶原料中氮、硼、鋁等淺能級(jí)雜質(zhì)濃度從百萬(wàn)分之一量級(jí)降到了近億分之一量級(jí)，優(yōu)于國(guó)外在售同類(lèi)產(chǎn)品，制備成本卻不足國(guó)外多晶原料售價(jià)的20%。
憑著這股不服輸、敢挑戰(zhàn)的勁頭，楊昆帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)先后攻克了高純碳化硅原料合成、晶型和結(jié)晶質(zhì)量控制等關(guān)鍵技術(shù)難題，有力支撐了4英寸高純半絕緣碳化硅單晶襯底的量產(chǎn)，打破了國(guó)外廠(chǎng)商的技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)了第三代半導(dǎo)體關(guān)鍵材料的自主可控。
目前，楊昆團(tuán)隊(duì)的研發(fā)產(chǎn)品已涵蓋直徑4-6英寸導(dǎo)電型和高純半絕緣型碳化硅單晶。經(jīng)檢測(cè)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到世界先進(jìn)水平，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)高端晶片的市場(chǎng)空白。形成了具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的完整技術(shù)路線(xiàn)，截至目前，取得授權(quán)專(zhuān)利達(dá)70余項(xiàng)。
搭建平臺(tái)，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈整體創(chuàng)新發(fā)展
在同光股份研發(fā)生產(chǎn)基地，“第三代半導(dǎo)體材料檢測(cè)平臺(tái)”的金色銘牌格外閃亮。
“這小小的晶片，需要檢測(cè)20余項(xiàng)指標(biāo)，每一片都要經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)設(shè)備檢測(cè)才能確定指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)。”楊昆指著一個(gè)6英寸單晶襯底樣品說(shuō)，創(chuàng)業(yè)初期，公司沒(méi)有自己的專(zhuān)業(yè)檢測(cè)設(shè)備，每試制一個(gè)樣品都要去外地檢測(cè)，十天半月也不見(jiàn)得出結(jié)果。“檢測(cè)數(shù)據(jù)出不來(lái)，下一步就沒(méi)法進(jìn)行，嚴(yán)重影響產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度。”
楊昆向公司提議，干脆組建一個(gè)高水平的第三代半導(dǎo)體材料檢測(cè)專(zhuān)業(yè)平臺(tái)。楊昆的想法得到了河北大學(xué)、中科院半導(dǎo)體研究所、清華大學(xué)材料學(xué)院等專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)的支持。經(jīng)過(guò)一年籌備，“第三代半導(dǎo)體材料檢測(cè)平臺(tái)”在同光股份正式揭牌。“如今，該平臺(tái)除了滿(mǎn)足自己的檢測(cè)需求，還可為國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體上下游產(chǎn)業(yè)提供服務(wù)。”
以成立檢測(cè)專(zhuān)業(yè)平臺(tái)為契機(jī)，楊昆積極推動(dòng)科技創(chuàng)新資源的開(kāi)放共享。楊昆認(rèn)為，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)多、鏈條長(zhǎng)，要想發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，不能單打獨(dú)斗。只有依托產(chǎn)業(yè)平臺(tái)，整合全產(chǎn)業(yè)鏈資源，才能推進(jìn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新發(fā)展。
目前，楊昆正與有關(guān)機(jī)構(gòu)密切合作，開(kāi)展8英寸及更大直徑導(dǎo)電型碳化硅單晶制備及新型襯底加工工藝的研發(fā)探索，拓展在智能光伏、新能源汽車(chē)等領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。此外，他還帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與科研院所、上下游企業(yè)開(kāi)展戰(zhàn)略合作，開(kāi)展其他寬禁帶半導(dǎo)體體塊材料的研發(fā)。（河北日?qǐng)?bào)記者李連成）
