“这就是我们刚刚研发成功的碳化硅晶片，直径6英寸，即将量产，将彻底摆脱国外对我国碳化硅封锁的局面，实现碳化硅的完全自主供应。”10月16日，在山西转型综改示范区，山西烁科晶体公司总经理李斌自豪地说，目前，他们公司是国内最大的碳化硅材料产业基地，生产的碳化硅半导体材料市场占有率超过50%，产能国内第一。在建项目投产后，将实现年产能15万片，规模全球前三。
2018年，山西烁科晶体公司历经11年艰苦攻关，在国内率先完成4英寸高纯半绝缘碳化硅单晶衬底材料的工程化，一举突破国外对我国碳化硅晶体生长技术的长期封锁。如今，6英寸高纯半绝缘碳化硅单晶衬底已经研发成功，即将量产，晶体质量接近国际水平。
碳化硅晶片是5G芯片最理想的衬底
碳化硅是碳和硅的化合物，具有耐高温、大功率、高频等天然优势，具有其他材料不具备的诸多优点，是制造高温、高频、大功率半导体器件的理想衬底。我国的碳化硅晶体研究起步较晚，20世纪90年代末才刚刚开始。但近年来，我国在碳化硅晶片领域奋力追赶，逐渐掌握了碳化硅晶片技术，从实验室走向了产业化。
碳化硅晶片能做什么？在我们熟知的电动汽车和5G通信中，碳化硅晶片发挥着举足轻重的作用。就5G基站建设来说，5G之所以传输速度快，是因为它有强大的5G芯片。而碳化硅晶片，就是5G芯片最理想的衬底。
“现在咱们家里边也有5G的一些小路由器，但它只是在室内，辐射距离很短，5G基站的辐射范围至少要达到几百米。这么高的功率，用碳化硅替代硅做射频器件，就可以让设备的体积做得更小，还能降低能量损耗、增加设备在恶劣环境下的可靠性。”山西烁科晶体有限公司副总经理魏汝省介绍道。
碳化硅晶片的另一个作用是用于制造电力电子器件，比如三极管，主要的应用领域是电动汽车。魏汝省表示：“目前，电动汽车的续航还是个问题。如果用上碳化硅晶片的话，就能在电池不变的情况下，使汽车的续航力增加10%左右。虽然碳化硅在电动汽车上的应用才刚刚起步，尚在开发中，但每生产一辆电动汽车，至少要消耗一片碳化硅，按照我国电动汽车保有量每年增长70%的速度来看，碳化硅仅在电动汽车领域就将带动一个千亿级的产业集群。”
生产高纯度碳化硅晶片犹如“蒙眼绣花”
目前，高纯度的“碳化硅”生产还是一项全球性的技术难题。“碳化硅具有十分稳定的特性，所以在一些恶劣环境下仍可稳定工作。也正是因为稳定的化学键，碳化硅生产的技术门槛非常高。”谈起碳化硅晶体研制之难，山西烁科晶体公司晶体生长部经理毛开礼列举了以下几个方面，碳化硅晶锭生长条件苛刻，需要高温、高压生长环境；晶体生长速度缓慢，产能有限，质量也相对不稳定；受到晶片生长炉尺寸限制，束缚了晶体尺寸；碳化硅属于硬脆材料，硬度仅次于金刚石，切割难度大，研磨精度难控制。
要想生产出高质量的碳化硅晶片，必须攻克这些技术难关。“碳化硅晶体是由一个种子开始一层层生长起来的，从2英寸长到4英寸再到6英寸。在这个生长过程中，晶体很容易出现缺陷。”毛开礼说，“我们的一个技术参数叫微管，它只有几至几十微米，不及头发丝粗细的微管状空洞，眼睛是看不到的。一旦出现微管，整个晶体就不合格了。由于温度太高，没办法直接测量，所以整个生长过程就如同‘蒙眼绣花’，这恰恰是晶片最核心的技术。解决这个技术难题，我们用了七八年的时间。”
在山西烁科晶体公司的碳化硅生产车间，白色的长晶炉一字排开，碳化硅晶体正在里面安静生长。毛开礼介绍：“现在，咱们所使用的粉料合成设备、长晶炉，都是自己研发、自己生产的全国产化的设备。设备的配套产品和功能元器件能满足长期、稳定、可靠使用的要求，同时节能效果好，具有连续工作高稳定性和良好精度保持性。”
半导体产业正成为山西转型发展的新引擎
一张光盘大小的形状、厚度仅0.5毫米的碳化硅晶片，从长期依赖进口、被国外“卡脖子”，到掌握批量生产技术、实现完全自主供应。近年来，山西将半导体产业作为着力打造的战略性新兴产业集群之一，在一些领域取得突破，涌现出山西烁科晶体公司等一批具有较强竞争力的企业。
中国电科二所、风华信息装备建有国内先进的半导体及新型显示产业装备制造基地；中科晶电、北纬三十八度在建的微波功率放大器、声表面波滤波器等项目，相关工艺达到国际先进水平；国惠光电是国内首家实现短波红外芯片量产的企业，产品已经应用在长光卫星上，产品出口至土耳其、俄罗斯等国家；中科潞安在紫外LED领域拥有从设备制造、外延生长到芯片制造的全套核心技术，建成了年产3000万颗紫外LED芯片生产线，成为全球最大的紫外LED芯片产业基地。
山西省工信厅近期发布的《山西省数字产业2020年行动计划》提出，山西将围绕“网、智、数、器、芯”五大领域，实施产业集群打造、龙头企业引领、支撑项目培育、关键技术突破、创新平台优化等工程，建设区域级数字产业集聚区。其中在“芯”方面将以太原、忻州为核心，以碳化硅、氮化镓第三代半导体等为重点，形成碳化硅、芯片设计、芯片制造等全产业链产品体系，打造太原、忻州半导体产业集群。
“我省半导体产业主要集聚在太原、忻州、长治等地，以太原中国电科（山西）电子信息创新产业园、忻州半导体产业园两大半导体产业园为中心，初步形成了碳化硅、砷化镓等第二、三代半导体衬底材料—芯片—封装—应用产业链条。”山西省工信厅副厅长刘勇表示，山西半导体产业影响力逐步扩大，多个细分领域跻身全国前列。在8月19日至21日举行的第二届紫外LED长治产业发展峰会期间，8个半导体产业项目落户山西，总投资30.5亿元。
小小一片碳化硅，背后蕴藏大产业。如今，半导体产业正成为山西转型发展的新引擎，将为山西高质量发展注入强大新动能。
