如何回答“省長之問”？
“銷往海內(nèi)外的食品，能不能擁有更多名優(yōu)商標(biāo)和自主品牌；堆積如山的紙張，能不能轉(zhuǎn)化為高檔印刷品和精美包裝；鋪天蓋地的布料，能不能變?yōu)榉b、內(nèi)飾和工藝品；多種多樣的金屬，能不能加工成各種特殊用材和金屬制品；遍布各地的化工企業(yè)，能不能有一些轉(zhuǎn)向生產(chǎn)精細(xì)產(chǎn)品；規(guī)模極大的建材工業(yè)，能不能提供更多的優(yōu)質(zhì)地板、高級陶瓷和衛(wèi)生潔具；產(chǎn)量高達(dá)200萬輛的汽車工業(yè)，能不能提高中高檔乘用車的比例?！?
2014年1月17日，山東省第十二屆人民代表大會第三次會議上，在談到產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級時，山東省省委副書記、省長郭樹清用了七個“能不能”的疑問表達(dá)了對傳統(tǒng)工業(yè)升級的希望。
當(dāng)下，對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏重的山東來說，經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型頗為迫切：傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)占到65%以上，制造業(yè)多數(shù)處于中低端，能源原材料產(chǎn)業(yè)、初加工工業(yè)所占比重偏高。能耗高、污染重、附加值低、產(chǎn)業(yè)鏈短已嚴(yán)重制約山東經(jīng)濟(jì)競爭力的提升，而七個“能不能”無疑是山東轉(zhuǎn)型迫切需要解決的難題。
創(chuàng)新轉(zhuǎn)型，如何轉(zhuǎn)？誰能擔(dān)當(dāng)重任？破解這個時代賦予的命題是回答“省長之問”的關(guān)鍵。
起身于戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)既可以在傳統(tǒng)的電力、鋼鐵、石油等諸多領(lǐng)域施展拳腳，又可在戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)如航空航天、半導(dǎo)體照明、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域大顯身手。眼下，風(fēng)生水起的碳化硅科研正在產(chǎn)業(yè)化的道路上，為經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型打造“利器”。
第一部分
碳化硅能改變什么？
一片厚度不足0.5毫米的碳化硅晶片襯底，能改變什么？
“你們已經(jīng)取得了驚人的成就，正在引領(lǐng)一場清潔能源的革命。”這是2011年美國總統(tǒng)奧巴馬在科銳公司演講時重點提到的一句話。作為碳化硅半導(dǎo)體全球研發(fā)的領(lǐng)先者，科銳的產(chǎn)品在電力電子、光電子等領(lǐng)域都已經(jīng)廣泛應(yīng)用，不論是新能源汽車還是智能電網(wǎng)，這個國家最尖端的關(guān)鍵設(shè)備上都有碳化硅的影子。這是三年之內(nèi)，奧巴馬兩次到訪該公司，表明他對碳化硅的重視的原因。這也是美國用十幾年持續(xù)不斷的扶持，將科銳打造成碳化硅行業(yè)世界第一企業(yè)的原因。
碳化硅是什么？它如何引領(lǐng)一場清潔能源的革命？
從刀耕火種的原始社會到以知識經(jīng)濟(jì)為特征的信息時代，材料無疑是推動人類進(jìn)步的“一條腿”。
上世紀(jì)，第一代半導(dǎo)體材料硅（Si）點燃了信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“星星之火”，而硅材料芯片也成就了“美國硅谷”高科技產(chǎn)業(yè)群，促使蘋果、英特爾、谷歌等世界半導(dǎo)體巨頭的誕生。毫不夸張的說，沒有硅（Si）便沒有強(qiáng)大的美國工業(yè)。
95%以上的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路都是由硅（Si）材料制作。但近百年的洗禮，曾經(jīng)的工業(yè)“中流砥柱”硅材料逐漸無法滿足高溫、高壓、抗輻射等方面要求，而碳化硅半導(dǎo)體材料便是繼硅（Si）、砷化鎵(GaAs)之后最為成熟的第三代半導(dǎo)體材料。
作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，碳化硅半導(dǎo)體不但擊穿電場強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好，還具有載流子飽和漂移速度高、熱導(dǎo)率高等特點，可以用來制造各種耐高溫的高頻、高效大功率器件，應(yīng)用于硅器件難以勝任的場合。第三代半導(dǎo)體材料——碳化硅單晶材料廣泛應(yīng)用于電力電子器件、光電子器件等領(lǐng)域，在寬帶通訊、太陽能、汽車制造、半導(dǎo)體照明、智能電網(wǎng)等眾多戰(zhàn)略行業(yè)可以實現(xiàn)50%以上的節(jié)能效果，可以使裝備體積減小75%！
這只是碳化硅半導(dǎo)體神奇作用的“冰山一角”?！叭f能”的碳化硅似乎可以在更廣泛的領(lǐng)域施展拳腳，比如在國計、民生兩大領(lǐng)域都可以“擔(dān)當(dāng)大任”。
第二部分
引發(fā)像蒸汽機(jī)一樣的產(chǎn)業(yè)革命
“蒸汽機(jī)的歷史意義，無論怎樣夸大也不為過。”L.S.斯塔夫里阿諾斯在《全球通史》里斷言。
在瓦特改進(jìn)蒸汽機(jī)之前，整個生產(chǎn)所需動力依靠人力和畜力。伴隨蒸汽機(jī)的發(fā)明和改進(jìn)，工廠不再依河或溪流而建，很多以前依賴人力與手工完成的工作自蒸汽機(jī)發(fā)明后被機(jī)械化生產(chǎn)取代。工業(yè)革命是一般政治革命不可比擬的巨大變革，其影響涉及人類社會生活的各個方面，使人類社會發(fā)生了巨大的變革，對人類的現(xiàn)代化進(jìn)程推動起到不可替代的作用,把人類推向了嶄新的蒸汽時代。
以碳化硅等為代表的第三代半導(dǎo)體材料，以其優(yōu)異的半導(dǎo)體性能在各個現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域都將發(fā)揮重要革新作用，應(yīng)用前景和市場潛力巨大。而且我們已經(jīng)看到，隨著碳化硅生產(chǎn)成本的降低，碳化硅半導(dǎo)體正在憑借其優(yōu)良的性能逐步取代硅(Si)半導(dǎo)體，打破硅基由于材料本身性能的所遇到瓶頸，無疑，它將引發(fā)一場類似于蒸汽機(jī)一樣的產(chǎn)業(yè)革命！
片段一：一顆驅(qū)動綠色經(jīng)濟(jì)的“小心臟”
一個小小的半導(dǎo)體碳化硅功率器件能夠改變什么？
它能使石化系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能46%，冶金系統(tǒng)節(jié)能42%，城市供排水系統(tǒng)節(jié)能45%，化工系統(tǒng)節(jié)能24%。
我國目前風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)系統(tǒng)總裝機(jī)容量約1.6億千瓦，年耗電近5000億千瓦時，如果改變調(diào)節(jié)方式，可實現(xiàn)節(jié)能10%—15%，約為500億—700億千瓦時，如此驚人的數(shù)字也都?xì)w功于半導(dǎo)體碳化硅功率器件。在5千伏以上的高壓應(yīng)用領(lǐng)域，半導(dǎo)體碳化硅功率器件在開關(guān)損耗與浪涌電壓上均有應(yīng)用，開關(guān)損耗最大可降低92%。半導(dǎo)體碳化硅功率器件功耗降低效果明顯，設(shè)備的發(fā)熱量大幅減少，使得設(shè)備的冷卻機(jī)構(gòu)進(jìn)一步簡化，進(jìn)而大幅度降低電機(jī)的體積和重量。同時,隨著電機(jī)冷卻機(jī)構(gòu)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(yán)峻形勢。
未來，半導(dǎo)體碳化硅材料制作成的功率器件將支撐起當(dāng)今節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨向，成為節(jié)能設(shè)備最核心的部件，因此半導(dǎo)體碳化硅功率器件也被業(yè)界譽(yù)為功率變流裝置的“CPU”、綠色經(jīng)濟(jì)的“核芯”。
片段二：一輛跑得更快的新能源汽車
新能源汽車產(chǎn)業(yè)要求逆變器(即馬達(dá)驅(qū)動)的半導(dǎo)體功率模塊，在處理高強(qiáng)度電流時，具有遠(yuǎn)超出普通工業(yè)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(dǎo)體碳化硅模塊完全符合新能源汽車要求。
半導(dǎo)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(jìn)一步減少。更輕、更小的設(shè)備更使新能源汽車的載重壓力變小，進(jìn)一步減小能量耗費，促進(jìn)節(jié)能環(huán)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(dǎo)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(jìn)技術(shù),降低飽和電壓,維持開關(guān)速度，減小芯片厚度，增大功率密度。另外,通過改進(jìn)模塊內(nèi)部的焊線工藝，將結(jié)溫提高到150攝氏度或175攝氏度，增加了功率循環(huán)次數(shù)，提高了可靠性，大大降低了能耗。
實際上，半導(dǎo)體碳化硅材料除了在新能源汽車節(jié)能中占有重要地位外,在高鐵、太陽能、風(fēng)能、電力輸送、UPS不間斷電源等電力電子領(lǐng)域均起到了卓越的節(jié)能環(huán)保作用。
片段三：一種壽命更長，更加節(jié)能環(huán)保的LED照明
從20世紀(jì)60年代初第一只LED誕生以來, LED經(jīng)過40多年的努力,已經(jīng)實現(xiàn)了紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七彩色LED的生產(chǎn)和應(yīng)用。特別是1994年高亮度藍(lán)光LED的誕生,拉開了半導(dǎo)體照明燈(白光LED)逐步替代現(xiàn)有的白熾燈、日光燈作通用照明光源的序幕,引發(fā)照明工業(yè)的又一場革命。
目前,可用于批量生產(chǎn)半導(dǎo)體照明燈外延片的襯底材料僅有藍(lán)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(dǎo)率高、器件尺寸小、抗靜電能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點,是氮化鎵系外延材料的理想襯底,由于其良好的熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱性能比藍(lán)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(dǎo)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(chǎn)生的熱量可以通過電極直接導(dǎo)出；同時這種襯底不需要電流擴(kuò)散層,因此光不會被電流擴(kuò)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。
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(shè)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國外進(jìn)口?，F(xiàn)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(jié)能LED照明。建設(shè)綠色照明示范工程樹立起節(jié)能減排、環(huán)保先進(jìn)的新形象,必將促進(jìn)半導(dǎo)體碳化硅照明產(chǎn)業(yè)的進(jìn)程,加快半導(dǎo)體碳化硅時代的到來。
第三部分
全世界都在等待碳化硅
半導(dǎo)體帶來的奇跡
將筆記本電腦適配器的體積減少80%，將一個變電站的體積縮小至一個手提箱的大小。這正是碳化硅半導(dǎo)體的魅力。
2014年伊始，美國總統(tǒng)奧巴馬親自主導(dǎo)成立了美國的碳化硅產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，他在成立大會講話中的一段話引人注目，“同以硅為基礎(chǔ)的技術(shù)相比，以碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體能夠在在更高溫度和更高電壓及頻率的環(huán)境下正常工作，同時消耗更少的電力、具有更強(qiáng)的持久性和可靠性，并最終前所未有地發(fā)揮其性能。這些技術(shù)可以減少消費類電子產(chǎn)品的體積，如將筆記本電腦適配器的體積減少80%;也可以將一個變電站的體積縮小至一個手提箱的大小規(guī)格。通過支持一個強(qiáng)大的寬禁帶半導(dǎo)體制造基地，美國可以引領(lǐng)多個世界上最大、增長速度最快的市場，從消費類電器、工業(yè)設(shè)備到通訊和清潔能源技術(shù)等方面;創(chuàng)造高薪就業(yè)機(jī)會，用以支撐日益龐大的中產(chǎn)階級。”
奧巴馬的這一表態(tài)背后，是國家對以碳化硅半導(dǎo)體為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)力支持。據(jù)了解，這個產(chǎn)業(yè)將獲得聯(lián)邦和地方政府總計一億四千萬美元的合力支持，以“用于提升美國在該新興產(chǎn)業(yè)方面的國際競爭力?！?
而早在2013年日本政府就將碳化硅納入“首相戰(zhàn)略”，認(rèn)為未來50%的節(jié)能要通過它來實現(xiàn)，創(chuàng)造清潔能源的新時代。在戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展方興未艾的時代，全球都在期待碳化硅半導(dǎo)體帶來的奇跡。
2013年9月29日，碳化硅半導(dǎo)體國際學(xué)會“ICSCRM 2013”召開，24個國家的半導(dǎo)體企業(yè)、科研院校等136家單位與會，人數(shù)達(dá)到794人次，為歷年來之最。國際知名的半導(dǎo)體器件廠商，如科銳、三菱、羅姆、英飛凌、飛兆等在會議上均展示出了最新量產(chǎn)化的碳化硅器件。
美國科銳展出的耐壓為1200V碳化硅基MOSFET，已經(jīng)應(yīng)用在：太陽能發(fā)電用逆變器裝置、高電壓輸出DC/DC轉(zhuǎn)換器裝置以及馬達(dá)驅(qū)動用逆變器裝置等；德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所（Fraunhofer ISE）采用科銳的碳化硅MOSFET制備的7kW輸出太陽能發(fā)電用逆變器裝置，結(jié)果獲得97.81％的轉(zhuǎn)換效率，比目前最新Si基MOSFET轉(zhuǎn)換率提高了50.92個百分點，目前正在批量應(yīng)用中；日本三菱電機(jī)利用碳化硅基SBD和碳化硅基MOSFET生產(chǎn)出的電機(jī)變頻器，與硅（Si）器件制造的同類產(chǎn)品相比，功耗減少70%。同時，采用碳化硅電機(jī)變頻器的整機(jī)體積約為采用Si電機(jī)變頻器整機(jī)體積的1/4，同時碳化硅電機(jī)變頻器的功耗比硅（Si）電機(jī)變頻器的功耗下降約54%。
……
站在這些國際碳化硅巨頭背后的，則是碳化硅半導(dǎo)體器件的應(yīng)用即將成為未來清潔能源的主力軍，美日歐各國已其列為國家戰(zhàn)略的現(xiàn)實。而對于中國而言值得注意的是，在碳化硅材料方面曾經(jīng)一直被美國科銳、日本新日鐵等國際公司所壟斷，而近年來，中國企業(yè)在碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上的努力和突破，已經(jīng)使我們走在了世界最前沿。
第四部分
山東企業(yè)打造碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈
“碳化硅晶體—碳化硅襯底—外延—芯片—器件—應(yīng)用”，這是碳化硅一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈條。
在產(chǎn)業(yè)上游的碳化硅晶體、芯片制造領(lǐng)域目前被歐美日等少數(shù)幾家巨頭壟斷，因這一環(huán)節(jié)技術(shù)含量高，資本投入大，所以進(jìn)入的壁壘遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于勞動密集型的中下游環(huán)節(jié)，整個碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)金字塔形的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。我國的電子器件主要依靠進(jìn)口，其中2012年的進(jìn)口額就高達(dá)2000億美元，超過了石油進(jìn)口額。
半導(dǎo)體碳化硅襯底及芯片的重要戰(zhàn)略價值，使其始終穩(wěn)居美國商務(wù)部的禁運名單，這也導(dǎo)致我國很難從國外獲得相應(yīng)產(chǎn)品。與很多“中國制造”正從“微笑曲線”的低端向兩端價值鏈的前后端奮進(jìn)的尷尬不同，來自山東的一家高科技企業(yè)已經(jīng)將碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)做到了行業(yè)前列。
依托山東大學(xué)晶體材料國家重點實驗室(中國晶體材料領(lǐng)域唯一重點實驗室)，是山東大學(xué)承擔(dān)的國家973和863計劃碳化硅重大項目產(chǎn)業(yè)化基地和聯(lián)合研發(fā)中心。在已故著名科學(xué)家中國科學(xué)院蔣民華院士的帶領(lǐng)下，經(jīng)過十多年艱苦努力，突破層層技術(shù)障礙，打破國外壟斷，成為世界上少數(shù)幾個掌握此技術(shù)的單位之一，目前技術(shù)成熟可靠。
作為產(chǎn)學(xué)研合作的成功案例，山東天岳對項目進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化——三年的產(chǎn)業(yè)化嘗試，幾億元的銷售產(chǎn)值，天岳填補(bǔ)了國內(nèi)在該領(lǐng)域的空白，打破歐美發(fā)達(dá)國家長期以來對我國的技術(shù)壟斷、產(chǎn)品禁運，從源頭上解決了受制于人的局面。
從北京、上海、廣東到遼寧、福建、四川，“山東創(chuàng)造”的碳化硅產(chǎn)品已經(jīng)開始得到廣泛應(yīng)用。以路燈為例。據(jù)統(tǒng)計,如果使用半導(dǎo)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(jié)省人民幣187.98萬元。
這是一筆合算的投資：我國照明用電每年在3000億度以上,如果用半導(dǎo)體碳化硅LED取代全部白熾燈或部分取代熒光燈,可節(jié)省三分之一的照明用電,即1000億千瓦時,這也就意味著節(jié)省了相當(dāng)于總投資超過2000億元人民幣的三峽工程全年的發(fā)電量。這對于能源供應(yīng)緊張的我國來說,具有重要的戰(zhàn)略意義。根據(jù)新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)研究機(jī)構(gòu)的估算結(jié)果，到2030年,隨著半導(dǎo)體碳化硅材料的普及,如將內(nèi)置半導(dǎo)體器件全部由碳化硅材料制作，與傳統(tǒng)的硅材料器件相比中，電力損耗下降幅度最高可達(dá)47%。
尾 聲
2012年7月，國務(wù)院印發(fā)的《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》(下稱《規(guī)劃》)中提到的七大新興產(chǎn)業(yè)是節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)、新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、生物產(chǎn)業(yè)、高端裝備制造產(chǎn)業(yè)、新能源產(chǎn)業(yè)、新材料產(chǎn)業(yè)和新能源汽車產(chǎn)業(yè)?！兑?guī)劃》提出，未來的發(fā)展目標(biāo)是我國新興產(chǎn)業(yè)對GDP的貢獻(xiàn)率到2015年達(dá)到8%，2020年達(dá)到15%，2030年達(dá)到30%。這對新興產(chǎn)業(yè)特別是碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說無疑是巨大的發(fā)展機(jī)遇。
一方面，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)是山東省的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，面臨著比重大、層次低、競爭力不強(qiáng)的問題，因此傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的任務(wù)更為迫切；另一方面，節(jié)能降耗和污染防治是建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的重要抓手，也是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的一個重要目標(biāo)。
碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)作為引領(lǐng)未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略“引擎”和決定性因素，必將在上兩個方面起到關(guān)鍵作用。而這也是碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)支持經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，對“省長之問”做出的最好回答。
