第三代半导体：“虚拟生长”引发充电革命

听多了虚拟货币、虚拟现实、虚拟主机……有没有听过虚拟生长？

“要长出高质量的碳化硅（SiC），我们需要对生产工艺进行设计、调试和优化。”晶体材料国家重点实验室教授陈秀芳带领的课题组有一项重要任务——通过物理气相沉积法生长出高质量、大尺寸的SiC单晶材料。

“但实际的生长耗时、耗料，可能也不稳定，通过计算机模拟‘虚拟生长’过程，可提前获知温度、生长速率等信息，”陈秀芳说。这个方法就像“战争推演系统”和实打实地实战一样奏效。

近日，国家重点研发计划“中低压SiC材料器件及其在电动汽车充电设备中的应用示范”项目召开年中总结会，由山东大学等单位承担的课题一，仅用一年时间就获得了低杂质的6英寸SiC晶体，单晶区直径大于15厘米，为了让这些晶圆能够批量生产，课题组还搭建了拥有自主知识产权的6英寸SiC单晶炉。

项目负责人、浙江大学教授盛况介绍，项目以应用需求为牵引，将实现材料—芯片—模块—充电设备—示范应用的全产业链创新。也就是说，高品质的SiC材料和芯片将成为充电设备的核心部件，经过封装、设计等工艺，为电动汽车高效、高能地充满电力。

“项目组由SiC领域内各环节多个实力较强的单位组成。截至目前，课题二开发了650V和1200V SiC MOSFET芯片，课题三开展了前沿的高K栅极介质的技术研究，研制出了1700V SiC MOSFET芯片，课题四完成了全SiC半桥功率模块的试制，课题五有2台充电样机在北京试运行。”盛况告诉记者，五个课题组就像一个产业链条上的五个关节，互为协作、互为支撑，将共同呈现出SiC从材料获得直到产业落地的全链条。

“今年下半年，课题一要给课题二、三的承担单位‘供货’，初步完成芯片封装和模块设计。”在盛况的任务文件中，有一张七彩的点线图，时间节点和课题任务头连头、尾接尾，有并行推进的，也有顺序完成的。项目甚至制定了“项目上下游课题间的送样计划和标准”。

“每次凑在一起都是奔着解决问题来的。”盛况说，前一年的研究正在稳步推进，现阶段我们要做的是在明确的方向下攻克核心技术，进一步落实关键任务。

如果整个项目是一艘行驶向“新型充电方式”的大船，课题五就是这个船上的舵手，“它明确地提出应用需求、实现目标，而上中游的研发团队则围绕目标制定具体的推进方案。”盛况说。

作为落地的具体实施者之一，泰科天润半导体科技（北京）有限公司吴海雷告诉科技日报记者，“与现在的充电桩相比，新型SiC充电模块能达到最高96%的电能转化效率。”

高温环境和空载是传统充电桩的“痛点”，第三代半导体的应用将解决这个问题。吴海雷说，研究表明，传统SiC器件充电模块的工作环境温度达到55℃时，开始降功率输出或停机，新型SiC充电模块在65℃时，才开始降低功率输出，“这基本杜绝了夏天宕机的情况。”

《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》显示，到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量超过500万辆，“这意味着需要建480万个分布式充电桩、1.2万座集中式充换电站。”吴亚雷说。这是一个不断扩张和不断完善相结合的产业，为能源结构的重大调整和新能源对化石能源的革命性颠覆，它的起点是一种名为SiC的完美晶体的生长，紧随其后的是一条严密布局、创新涌动的产业链。