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)團隊成員一起查看碳化硅單晶生長情況。 通訊員穆貝攝
“目前，5G基站、新能源汽車充電樁、人工智能等新基建火熱進行，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（以下簡稱同光股份）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)團隊，歷時7年時間，不斷突破技術(shù)瓶頸，研發(fā)的碳化硅單晶各項技術(shù)指標已達世界先進水平，部分關(guān)鍵指標國際領(lǐng)先。今年，楊昆被評為河北工匠。
不計得失，立志攻克卡脖子難題
走進同光股份淶源廠區(qū)，只見一棟棟新建廠房拔地而起，一臺臺先進的生產(chǎn)、實驗設(shè)備正在有序運行。
“這里的直徑4-6英寸碳化硅單晶襯底項目在去年9月投產(chǎn)，年產(chǎn)10萬片。”熬過了研發(fā)初期的艱難，楊昆對未來發(fā)展充滿信心，目標是在未來成為全球重要的碳化硅單晶襯底供應(yīng)商。
2015年，楊昆從山東大學晶體材料研究所博士畢業(yè)，向他拋來橄欖枝的不乏北京的高校、國企、科研院所?？伤艞壉本└咝剑x擇了同光股份。
“當時公司剛成立3年，老板是圈外人，對行業(yè)了解少，急需專業(yè)人才。他到山東找了兩次，想讓我出任總工程師，全權(quán)負責研發(fā)工作。”而楊昆也在尋找一個可以自由施展的平臺，實現(xiàn)自己的技術(shù)理想。
當時，第三代半導(dǎo)體材料在我國通信、高壓輸變電、軌道交通、電動汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。“盡管市場需求量大，但嚴重依賴進口。”楊昆說，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?，也只能從國外進口。“一千克碳化硅多晶原料要價至少1萬元，但因為國外原料雜質(zhì)少、純度高，只能咬牙花高價進口。”
這樣的現(xiàn)狀，讓楊昆很窩火。“不能總讓外國人卡脖子，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、長晶爐等硬件設(shè)備，不僅漏氣，冷卻水溫度波動也大，嚴重影響晶體生長穩(wěn)定性。
硬件設(shè)備必須進行升級改造，可廠家最低報價200萬元，這對于初創(chuàng)公司來說，無疑是一筆巨款。楊昆提出取消自己的年底獎金，用來升級設(shè)備。“老板拒絕了提議，但看到了我攻克卡脖子難題的決心，堅定了他設(shè)備改造的信心。”楊昆說。
楊昆親自參與改造設(shè)計，不但節(jié)省了大量成本，設(shè)備升級順利完成后，各項應(yīng)用指標也顯示良好，為后期產(chǎn)品研發(fā)奠定了堅實基礎(chǔ)。
不懼失敗，打破國外廠商技術(shù)壟斷
走進碳化硅單晶生產(chǎn)車間，只見一排排生長爐排列整齊，2000多攝氏度的爐腔跳動著橘紅色光亮，一塊塊碳化硅晶體正在爐內(nèi)靜靜生長。“薄薄的晶片在爐里能生長成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。
生產(chǎn)技術(shù)成熟穩(wěn)定的背后，是無數(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，毫無進展。楊昆說，那段時間，大伙在會議室一碰頭就三四個小時，經(jīng)常錯過飯點，只好泡方便面充饑。
經(jīng)過數(shù)百爐次的合成實驗，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、鋁等淺能級雜質(zhì)濃度從百萬分之一量級降到了近億分之一量級，優(yōu)于國外在售同類產(chǎn)品，制備成本卻不足國外多晶原料售價的20%。
憑著這股不服輸、敢挑戰(zhàn)的勁頭，楊昆帶領(lǐng)團隊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)，打破了國外廠商的技術(shù)壟斷，實現(xiàn)了第三代半導(dǎo)體關(guān)鍵材料的自主可控。
目前，楊昆團隊的研發(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，各項技術(shù)指標均達到世界先進水平，填補了國內(nèi)高端晶片的市場空白。形成了具備自主知識產(chǎn)權(quán)的完整技術(shù)路線，截至目前，取得授權(quán)專利達70余項。
搭建平臺，推進產(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)體材料檢測平臺”的金色銘牌格外閃亮。
“這小小的晶片，需要檢測20余項指標，每一片都要經(jīng)過專業(yè)設(shè)備檢測才能確定指標是否達標。”楊昆指著一個6英寸單晶襯底樣品說，創(chuàng)業(yè)初期，公司沒有自己的專業(yè)檢測設(shè)備，每試制一個樣品都要去外地檢測，十天半月也不見得出結(jié)果。“檢測數(shù)據(jù)出不來，下一步就沒法進行，嚴重影響產(chǎn)品研發(fā)進度。”
楊昆向公司提議，干脆組建一個高水平的第三代半導(dǎo)體材料檢測專業(yè)平臺。楊昆的想法得到了河北大學、中科院半導(dǎo)體研究所、清華大學材料學院等專業(yè)機構(gòu)的支持。經(jīng)過一年籌備，“第三代半導(dǎo)體材料檢測平臺”在同光股份正式揭牌。“如今，該平臺除了滿足自己的檢測需求，還可為國內(nèi)第三代半導(dǎo)體上下游產(chǎn)業(yè)提供服務(wù)。”
以成立檢測專業(yè)平臺為契機，楊昆積極推動科技創(chuàng)新資源的開放共享。楊昆認為，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)多、鏈條長，要想發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，不能單打獨斗。只有依托產(chǎn)業(yè)平臺，整合全產(chǎn)業(yè)鏈資源，才能推進整個產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新發(fā)展。
目前，楊昆正與有關(guān)機構(gòu)密切合作，開展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、新能源汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢。此外，他還帶領(lǐng)團隊與科研院所、上下游企業(yè)開展戰(zhàn)略合作，開展其他寬禁帶半導(dǎo)體體塊材料的研發(fā)。（河北日報記者李連成）
