通過物理氣相沉積法生長出高質(zhì)量、大尺寸的SiC單晶材料

聽多了虛擬貨幣、虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬主機(jī)……有沒有聽過虛擬生長？

“要長出高質(zhì)量的碳化硅（SiC），我們需要對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試和優(yōu)化?！本w材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授陳秀芳帶領(lǐng)的課題組有一項(xiàng)重要任務(wù)——通過物理氣相沉積法生長出高質(zhì)量、大尺寸的SiC單晶材料。

“但實(shí)際的生長耗時(shí)、耗料，可能也不穩(wěn)定，通過計(jì)算機(jī)模擬‘虛擬生長’過程，可提前獲知溫度、生長速率等信息，”陳秀芳說。這個(gè)方法就像“戰(zhàn)爭推演系統(tǒng)”和實(shí)打?qū)嵉貙?shí)戰(zhàn)一樣奏效。

近日，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“中低壓SiC材料器件及其在電動(dòng)汽車充電設(shè)備中的應(yīng)用示范”項(xiàng)目召開年中總結(jié)會(huì)，由山東大學(xué)等單位承擔(dān)的課題一，僅用一年時(shí)間就獲得了低雜質(zhì)的6英寸SiC晶體，單晶區(qū)直徑大于15厘米，為了讓這些晶圓能夠批量生產(chǎn)，課題組還搭建了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的6英寸SiC單晶爐。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、浙江大學(xué)教授盛況介紹，項(xiàng)目以應(yīng)用需求為牽引，將實(shí)現(xiàn)材料—芯片—模塊—充電設(shè)備—示范應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新。也就是說，高品質(zhì)的SiC材料和芯片將成為充電設(shè)備的核心部件，經(jīng)過封裝、設(shè)計(jì)等工藝，為電動(dòng)汽車高效、高能地充滿電力。

“項(xiàng)目組由SiC領(lǐng)域內(nèi)各環(huán)節(jié)多個(gè)實(shí)力較強(qiáng)的單位組成。截至目前，課題二開發(fā)了650V和1200V SiC MOSFET芯片，課題三開展了前沿的高K柵極介質(zhì)的技術(shù)研究，研制出了1700V SiC MOSFET芯片，課題四完成了全SiC半橋功率模塊的試制，課題五有2臺(tái)充電樣機(jī)在北京試運(yùn)行?！笔r告訴記者，五個(gè)課題組就像一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條上的五個(gè)關(guān)節(jié)，互為協(xié)作、互為支撐，將共同呈現(xiàn)出SiC從材料獲得直到產(chǎn)業(yè)落地的全鏈條。

“今年下半年，課題一要給課題二、三的承擔(dān)單位‘供貨’，初步完成芯片封裝和模塊設(shè)計(jì)?！痹谑r的任務(wù)文件中，有一張七彩的點(diǎn)線圖，時(shí)間節(jié)點(diǎn)和課題任務(wù)頭連頭、尾接尾，有并行推進(jìn)的，也有順序完成的。項(xiàng)目甚至制定了“項(xiàng)目上下游課題間的送樣計(jì)劃和標(biāo)準(zhǔn)”。

“每次湊在一起都是奔著解決問題來的?！笔r說，前一年的研究正在穩(wěn)步推進(jìn)，現(xiàn)階段我們要做的是在明確的方向下攻克核心技術(shù)，進(jìn)一步落實(shí)關(guān)鍵任務(wù)。

如果整個(gè)項(xiàng)目是一艘行駛向“新型充電方式”的大船，課題五就是這個(gè)船上的舵手，“它明確地提出應(yīng)用需求、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，而上中游的研發(fā)團(tuán)隊(duì)則圍繞目標(biāo)制定具體的推進(jìn)方案?！笔r說。

作為落地的具體實(shí)施者之一，泰科天潤半導(dǎo)體科技（北京）有限公司吳海雷告訴科技日?qǐng)?bào)記者，“與現(xiàn)在的充電樁相比，新型SiC充電模塊能達(dá)到最高96%的電能轉(zhuǎn)化效率。”

高溫環(huán)境和空載是傳統(tǒng)充電樁的“痛點(diǎn)”，第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用將解決這個(gè)問題。吳海雷說，研究表明，傳統(tǒng)SiC器件充電模塊的工作環(huán)境溫度達(dá)到55℃時(shí)，開始降功率輸出或停機(jī)，新型SiC充電模塊在65℃時(shí)，才開始降低功率輸出，“這基本杜絕了夏天宕機(jī)的情況?！?/p>

《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》顯示，到2020年，純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷量超過500萬輛，“這意味著需要建480萬個(gè)分布式充電樁、1.2萬座集中式充換電站。”吳亞雷說。這是一個(gè)不斷擴(kuò)張和不斷完善相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)，為能源結(jié)構(gòu)的重大調(diào)整和新能源對(duì)化石能源的革命性顛覆，它的起點(diǎn)是一種名為SiC的完美晶體的生長，緊隨其后的是一條嚴(yán)密布局、創(chuàng)新涌動(dòng)的產(chǎn)業(yè)鏈。