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河北工匠杨坤:第三代半导体材料关键技术的突破

第三代半导体材料关键技术突破者

——记河北工匠、河北同光半导体股份有限公司总工程师杨昆

图为杨昆(左二)与研发团队成员一起查看碳化硅单晶生长情况。 通讯员穆贝摄

“目前,5G基站、新能源汽车充电桩、人工智能等新基建火热进行,而支撑新基建建设的技术核心之一就是第三代半导体材料。”日前,在河北同光半导体股份有限公司(以下简称同光股份)展厅,该公司总工程师杨昆一边为记者展示碳化硅单晶样品,一边介绍第三代半导体材料的市场前景。

碳化硅单晶作为第三代半导体材料的核心代表,处在碳化硅产业链的最前端,是高端芯片产业发展的基础和关键。入职同光股份任总工程师后,杨昆带领自主研发团队,历时7年时间,不断突破技术瓶颈,研发的碳化硅单晶各项技术指标已达世界先进水平,部分关键指标国际领先。今年,杨昆被评为河北工匠。

不计得失,立志攻克卡脖子难题

走进同光股份涞源厂区,只见一栋栋新建厂房拔地而起,一台台先进的生产、实验设备正在有序运行。

“这里的直径4-6英寸碳化硅单晶衬底项目在去年9月投产,年产10万片。”熬过了研发初期的艰难,杨昆对未来发展充满信心,目标是在未来成为全球重要的碳化硅单晶衬底供应商。

2015年,杨昆从山东大学晶体材料研究所博士毕业,向他抛来橄榄枝的不乏北京的高校、国企、科研院所。可他放弃北京高薪,选择了同光股份。

“当时公司刚成立3年,老板是圈外人,对行业了解少,急需专业人才。他到山东找了两次,想让我出任总工程师,全权负责研发工作。”而杨昆也在寻找一个可以自由施展的平台,实现自己的技术理想。

当时,第三代半导体材料在我国通信、高压输变电、轨道交通、电动汽车等领域的应用日益广泛。“尽管市场需求量大,但严重依赖进口。”杨昆说,作为第三代半导体材料的核心代表,制备高纯度碳化硅单晶,需要高纯度的碳化硅多晶原料。可就算是原料,也只能从国外进口。“一千克碳化硅多晶原料要价至少1万元,但因为国外原料杂质少、纯度高,只能咬牙花高价进口。”

这样的现状,让杨昆很窝火。“不能总让外国人卡脖子,干脆从基础做起,自己研发生产高纯度碳化硅多晶原料。”

可刚上手,杨昆发现公司现有的合成炉、长晶炉等硬件设备,不仅漏气,冷却水温度波动也大,严重影响晶体生长稳定性。

硬件设备必须进行升级改造,可厂家最低报价200万元,这对于初创公司来说,无疑是一笔巨款。杨昆提出取消自己的年底奖金,用来升级设备。“老板拒绝了提议,但看到了我攻克卡脖子难题的决心,坚定了他设备改造的信心。”杨昆说。

杨昆亲自参与改造设计,不但节省了大量成本,设备升级顺利完成后,各项应用指标也显示良好,为后期产品研发奠定了坚实基础。

不惧失败,打破国外厂商技术垄断

走进碳化硅单晶生产车间,只见一排排生长炉排列整齐,2000多摄氏度的炉腔跳动着橘红色光亮,一块块碳化硅晶体正在炉内静静生长。“薄薄的晶片在炉里能生长成3厘米左右厚度的碳化硅晶体,加工后变成碳化硅单晶衬底,用于制作芯片。”杨昆说。

生产技术成熟稳定的背后,是无数次失败的洗礼。在碳化硅多晶原料研发初期,杂质含量始终居高不下。尝试了多种方案,毫无进展。杨昆说,那段时间,大伙在会议室一碰头就三四个小时,经常错过饭点,只好泡方便面充饥。

经过数百炉次的合成实验,最终突破了高纯度碳化硅多晶原料合成技术。制备的碳化硅多晶原料中氮、硼、铝等浅能级杂质浓度从百万分之一量级降到了近亿分之一量级,优于国外在售同类产品,制备成本却不足国外多晶原料售价的20%。

凭着这股不服输、敢挑战的劲头,杨昆带领团队先后攻克了高纯碳化硅原料合成、晶型和结晶质量控制等关键技术难题,有力支撑了4英寸高纯半绝缘碳化硅单晶衬底的量产,打破了国外厂商的技术垄断,实现了第三代半导体关键材料的自主可控。

目前,杨昆团队的研发产品已涵盖直径4-6英寸导电型和高纯半绝缘型碳化硅单晶。经检测,各项技术指标均达到世界先进水平,填补了国内高端晶片的市场空白。形成了具备自主知识产权的完整技术路线,截至目前,取得授权专利达70余项。

搭建平台,推进产业链整体创新发展

在同光股份研发生产基地,“第三代半导体材料检测平台”的金色铭牌格外闪亮。

“这小小的晶片,需要检测20余项指标,每一片都要经过专业设备检测才能确定指标是否达标。”杨昆指着一个6英寸单晶衬底样品说,创业初期,公司没有自己的专业检测设备,每试制一个样品都要去外地检测,十天半月也不见得出结果。“检测数据出不来,下一步就没法进行,严重影响产品研发进度。”

杨昆向公司提议,干脆组建一个高水平的第三代半导体材料检测专业平台。杨昆的想法得到了河北大学、中科院半导体研究所、清华大学材料学院等专业机构的支持。经过一年筹备,“第三代半导体材料检测平台”在同光股份正式揭牌。“如今,该平台除了满足自己的检测需求,还可为国内第三代半导体上下游产业提供服务。”

以成立检测专业平台为契机,杨昆积极推动科技创新资源的开放共享。杨昆认为,第三代半导体产业环节多、链条长,要想发展第三代半导体产业,不能单打独斗。只有依托产业平台,整合全产业链资源,才能推进整个产业链创新发展。

目前,杨昆正与有关机构密切合作,开展8英寸及更大直径导电型碳化硅单晶制备及新型衬底加工工艺的研发探索,拓展在智能光伏、新能源汽车等领域的应用优势。此外,他还带领团队与科研院所、上下游企业开展战略合作,开展其他宽禁带半导体体块材料的研发。(河北日报记者李连成)

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