山東天岳先進材料科技有限公司成立于2010年10月,是一家致力于半導體晶體材料的研發、生產和技術服務的高科技企業。公司依托山東大學晶體材料國家重點實驗室(中國晶體領域唯一重點實驗室),是山東大學承擔的國家“973”和“863”計劃碳化硅(SiC)重大項目產業化基地和聯合研發中心。

 

　　在已故著名科學家中國科學院蔣民華院士的帶領下,經過十多年艱苦努力,突破層層技術障礙,打破國外壟斷,成為世界上少數幾個掌握此技術的單位之一,目前技術成熟可靠。

 

　　公司產品主要有2英寸、3英寸、4英寸N型和半絕緣型半導體碳化硅單晶襯底,廣泛應用于大功率高頻電子器件、射頻器件、半導體發光二極管(LED),產品涉及到軍事工業、民用航空、半導體照明、電子產品背光源等國家鼓勵發展產業,是第三代半導體的核心材料,屬于《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》和國家“十二五”發展規劃中重點培育和發展的戰略性新興產業。

 

　　山東天岳公司擁有國際頂尖的技術團隊,具備強大的研發能力。自成立以來,公司上下本著“求實創新,產業報國”的企業理念,加大技術研發,加快產業化發展,育晶育人,報效國家。

 

　　楊建偉

 

　　半導體碳化硅時代

 

　　已經到來

 

　　從原始社會的石器時代到今日的信息時代,人類社會的發展史無疑也是一部材料的發展變革史。上世紀初發展起來的硅材料也應運成為當代信息產業發展的基石,而正是硅材料芯片造就了獨占世界信息產業鰲頭的美國硅谷高科技產業集群,吸引了蘋果、英特爾、谷歌等世界頂級半導體產業巨頭聚集此處。

 

　　目前95%以上的半導體器件和99%以上的集成電路都是由硅材料制作。經過近百年的發展,性能優勢已得到充分發揮的硅材料逐漸無法滿足高溫、高壓、抗輻射等方面要求,半導體行業急需適應現代產業需求的新型材料。而經過100多年的認知和20多年的研發后,碳化硅材料已被業界認為是繼硅、砷化鎵之后發展最為成熟的第三代半導體材料,其優越的半導體性能遠超硅材料。

 

　　碳化硅材料可廣泛應用于電力電子器件(二極管、場效應管、換能器、馬達驅動器、輸出整流器)、射頻器件(寬帶通訊、有源相控陣雷達)、光電子器件(大功率發光二極管)等領域,與大眾生活息息相關,具有重要的戰略地位,業界廣泛認為,寬禁帶半導體碳化硅材料的發展將引領世界第三次半導體產業革命。

 

　　據統計,如果使用半導體碳化硅材料LED路燈替代高壓鈉燈,以1000支為單位,一年可節省人民幣187.98萬元；我國照明用電每年在3000億度以上,如果用半導體碳化硅LED取代全部白熾燈或部分取代熒光燈,可節省三分之一的照明用電,即1000億千瓦時,這也就意味著節省了相當于總投資超過2000億元人民幣的三峽工程全年的發電量。這對于能源供應緊張的我國來說,具有重要的戰略意義。根據新能源產業技術綜合開發研究機構的估算結果,到2030年,隨著半導體碳化硅材料的普及,如將內置半導體器件全部由碳化硅材料制作,與傳統的硅材料器件相比,電力損耗下降幅度最高可達47%。

 

　　綜上可見,解決未來新能源發展問題的一個重要途徑就是更為廣泛地推廣使用半導體碳化硅材料,世界正在迎來由半導體碳化硅材料引領的新時代。

 

　　站在“金字塔尖”上的

 

　　節能之源

 

　　碳化硅產業鏈按晶體生長、晶片加工、外延加工、芯片制造、器件封裝與應用可分為上、中、下游。而其中處在產業上游的碳化硅晶片、芯片制造領域目前被歐美日等少數幾家巨頭壟斷,因這一環節技術含量高,資本投入大,所以進入的壁壘遠遠高于勞動密集型的中下游環節,整個碳化硅產業呈現金字塔形的產業結構。

 

　　從我國產業發展的實際情況來看,如果“金字塔尖”的碳化硅材料上游開發受阻,將嚴重制約產業鏈中下游的器件、封裝與應用領域的發展。

 

　　長期以來,我國的電子器件主要依靠進口,其中2011年的進口額就高達3000億美元,超過了石油進口額。半導體碳化硅襯底及芯片的重要戰略價值,使其始終穩居美國商務部的禁運名單,這也導致我國很難從國外獲得相應產品。而如今,山東天岳公司已將山東大學晶體材料國家重點實驗室(晶體領域我國唯一的國家重點實驗室)十余年的研發成果大尺寸碳化硅襯底生長加工技術,進行了產業轉化,填補了國內在該領域的空白,打破歐美發達國家長期以來對我國的技術壟斷、產品禁運,從源頭上解決了受制于人的局面。山東天岳已經站在了碳化硅產業上游的“金字塔尖”上,為我國節能事業的發展拓寬道路。

 

　　更高效、更輕小、

 

　　更環保的電力電子設備

 

　　在電子設備運行過程中,75%以上的能量消耗需要半導體器件進行轉化,先進的半導體碳化硅技術在有效降低器件自身功耗的同時,還可以直接或間接地提高系統其他部件的能效,在能量的傳遞和使用過程中,起到監測、調節、優化和控制的作用,達到更高效、更節能、更環保的利用能源。半導體碳化硅材料的發展應用前景非常廣闊,應用范圍正從傳統的工業控制領域(計算機、通信、消費類電子產品和汽車電子)逐步擴展到國民經濟與國防建設的各個方面。

 

　　據統計,在全球能源消耗構成比例中,家電和信息通訊領域分別占16%和14%,而電機領域則占據了能源消耗的“半壁江山”,達51%之多。可見,對電機的節能改進成為降低能源消耗的重要工作。

 

　　通過應用變頻調速技術改變電機驅動方式,使電機在最節能的轉速下運行,可大大降低輕載運行時的能量消耗。以變頻家電為例,通過集成功率器件及其驅動保護芯片后,變頻空調比定速空調節電20%—30%;變頻冰箱比常規冰箱節電50%左右。在其他領域,一個小小的半導體碳化硅功率器件則能使石化系統實現節能46%,冶金系統節能42%,城市供排水系統節能45%,化工系統節能24%。我國目前風機、水泵、壓縮機系統總裝機容量約1.6億千瓦,年耗電近5000億千瓦時,如果改變調節方式,可實現節能10%—15%,約為500億—700億千瓦時,如此驚人的數字也都歸功于半導體碳化硅功率器件。在5千伏以上的高壓應用領域,半導體碳化硅功率器件在開關損耗與浪涌電壓上均有應用,開關損耗最大可降低92%。半導體碳化硅功率器件功耗降低效果明顯,設備的發熱量大幅減少,使得設備的冷卻機構進一步簡化,進而大幅度降低電機的體積和重量。同時,隨著電機冷卻機構簡化,制作散熱器所用金屬材料也相對減少,這也將有效緩解銅、鐵及石油等多種資源供求不平的嚴峻形勢。

 

　　未來,半導體碳化硅材料制作成的功率器件將支撐起當今節能技術的發展趨向,成為節能設備最核心的部件,因此半導體碳化硅功率器件也被業界譽為功率變流裝置的“CPU”、綠色經濟的“核芯”。

 

　　除了電機之外,混合動力汽車和電動汽車(HEV/EV)也是半導體碳化硅材料應用的另一個重要領域。本世紀以來,我國經濟持續增長,汽車普及率逐年上升,已成為全球汽車產銷第一大國,油費也已成為有車一族的一項大額生活支出。

 

　　2004年,我國成為世界第二大石油進口國,2011年全年我國原油表觀消費量在4.54億噸左右,是全球原油消費增長最快的國家。隨著全球石油儲存量的減少,國際油價的不斷飆升,新能源汽車無疑將是未來汽車業發展的主要方向。

 

　　新能源汽車產業要求逆變器(即馬達驅動)的半導體功率模塊,在處理高強度電流時,具有遠超出普通工業用途逆變器的可靠性；在大電流功率模塊中,具有更好的散熱性,高效、快速、耐高溫、可靠性高的半導體碳化硅模塊完全符合新能源汽車要求。半導體碳化硅功率模塊小型化的特點可大幅削減新能源汽車的電力損失,使其在200攝氏度高溫下仍能正常工作,熱容進一步減少。更輕、更小的設備更使新能源汽車的載重壓力變小,進一步減小能量耗費,促進節能環保。

 

　　目前,德國英飛凌公司針對純電動和插電式混合動力車,研制出的半導體碳化硅功率模塊,將功率范圍控制在20—80千瓦；采用溝槽柵和場截止層等國際最先進技術,降低飽和電壓,維持開關速度,減小芯片厚度,增大功率密度。另外,通過改進模塊內部的焊線工藝,將結溫提高到150攝氏度或175攝氏度,增加了功率循環次數,提高了可靠性,大大降低了能耗。

 

　　半導體碳化硅材料除了在上述電機及新能源汽車節能中占有重要地位外,在高鐵、太陽能、風能、電力輸送、UPS不間斷電源等電力電子領域均起到了卓越的節能環保作用。

 

　　更明亮、更清晰、

 

　　更節能的光電子設備

 

　　發光二極管(LED)是利用半導體中電子與空穴復合發光的一種電子元器件,是一種節能環保的冷光源。從20世紀60年代初第一只LED誕生以來,經過40多年的努力,已經實現了紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七彩色LED的生產和應用。特別是1994年高亮度藍光LED的誕生,拉開了半導體照明燈(白光LED)逐步替代現有的白熾燈、日光燈作通用照明光源的序幕,引發照明工業的又一場革命。

 

　　目前,可用于批量生產半導體照明燈外延片的襯底材料僅有藍寶石和碳化硅材料。碳化硅材料具有與氮化鎵晶格失配小、熱導率高、器件尺寸小、抗靜電能力強、可靠性高等優點,是氮化鎵系外延材料的理想襯底,由于其良好的熱導率(導熱性能比藍寶石襯底高出10倍以上),解決了功率型氮化鎵LED器件的散熱問題,特別適合用于制備大功率的半導體照明用LED。使用碳化硅材料作為襯底的芯片電極為L型,兩個電極分布在器件的表面和底部,所產生的熱量可以通過電極直接導出；同時這種襯底不需要電流擴散層,因此光不會被電流擴散層的材料吸收,這樣既大大提高了出光效率,又能有效的降低能耗。

 

　　今年4月美國科銳公司在半導體碳化硅襯底上制作的白光功率型LED光效再度刷新行業最高紀錄,達到254流明每瓦。該項紀錄打破了美國科銳公司去年初取得的231流明每瓦的研發成果,再次彰顯了半導體碳化硅襯底在大功率LED方面的優勢,目前市場上5瓦以上的白光LED均由半導體碳化硅襯底制備。

 

　　2008年北京奧運會期間建造的水立方場館照明即采用了496000顆碳化硅基大功率LED,獲得了國際最高照明設計大獎；鳥巢也是用250000顆碳化硅基大功率LED點亮。因國外壟斷,水立方和鳥巢的照明材料均從美國的科銳公司進口。現在美國科銳公司推出了“LED城市照明計劃”,旨在以碳化硅材料作為襯底,面向全球推動和部署節能LED照明。建設綠色照明示范工程樹立起節能減排、環保先進的新形象,必將促進半導體碳化硅照明產業的進程,加快半導體碳化硅時代的到來。

 

　　環境保護、經濟效益和實際應用的需求是促進節能技術發展的三大因素。隨著節能需求逐步增加,半導體碳化硅材料生產不但要降低自身的能耗,還要擔負起降低系統能耗的重任。作為以研制、生產半導體晶體及襯底材料為主的高科技企業,山東天岳公司在進一步擴大產業化規模,為下游產業提供高品質半導體碳化硅材料的同時,也在不斷進行技術研發,致力于提供完整的高能效解決方案。目前,山東天岳公司已開始涉及產業鏈中下游領域,加大研發人才隊伍的建設,加快半導體碳化硅功率模塊的科研速度及力度,為未來的節能減排作出更大貢獻。來源大眾日報)