引子、如何回答“省長之問”？

       “銷往海內外的食品，能不能擁有更多名優商標和自主品牌；堆積如山的紙張，能不能轉化為高檔印刷品和精美包裝；鋪天蓋地的布料，能不能變為服裝、內飾和工藝品；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，能不能有一些轉向生產精細產品；規模極大的建材工業，能不能提供更多的優質地板、高級陶瓷和衛生潔具；產量高達200萬輛的汽車工業，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，在談到產業結構調整升級時，山東省省委副書記、省長郭樹清用了七個“能不能”的疑問表達了對傳統工業升級的希望。

       當下，對產業結構偏重的山東來說，經濟轉型頗為迫切：傳統產業占到65%以上，制造業多數處于中低端，能源原材料產業、初加工工業所占比重偏高。能耗高、污染重、附加值低、產業鏈短已嚴重制約山東經濟競爭力的提升，而七個“能不能”無疑是山東轉型迫切需要解決的難題。

       創新轉型，如何轉？誰能擔當重任？破解這個時代賦予的命題是回答“省長之問”的關鍵。

       起身于戰略性新興產業，碳化硅半導體產業既可以在傳統的電力、鋼鐵、石油等諸多領域施展拳腳，又可在戰略性產業如航空航天、半導體照明、電子產品等領域大顯身手。眼下，風生水起的碳化硅科研正在產業化的道路上，為經濟轉型打造“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？

       “你們已經取得了驚人的成就，正在引領一場清潔能源的革命。”這是2011年美國總統奧巴馬在科銳公司演講時重點提到的一句話。作為碳化硅半導體全球研發的領先者，科銳的產品在電力電子、光電子等領域都已經廣泛應用，不論是新能源汽車還是智能電網，這個國家最尖端的關鍵設備上都有碳化硅的影子。這是三年之內，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不斷的扶持，將科銳打造成碳化硅行業世界第一企業的原因。

       碳化硅是什么？它如何引領一場清潔能源的革命？

       從刀耕火種的原始社會到以知識經濟為特征的信息時代，材料無疑是推動人類進步的“一條腿”。

       上世紀，第一代半導體材料硅（Si）點燃了信息產業發展的“星星之火”，而硅材料芯片也成就了“美國硅谷”高科技產業群，促使蘋果、英特爾、谷歌等世界半導體巨頭的誕生。毫不夸張的說，沒有硅（Si）便沒有強大的美國工業。

       95%以上的半導體器件和99%以上的集成電路都是由硅（Si）材料制作。但近百年的洗禮，曾經的工業“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，而碳化硅半導體材料便是繼硅（Si）、砷化鎵(GaAs)之后最為成熟的第三代半導體材料。

       作為一種寬禁帶半導體材料，碳化硅半導體不但擊穿電場強度高、熱穩定性好，還具有載流子飽和漂移速度高、熱導率高等特點，可以用來制造各種耐高溫的高頻、高效大功率器件，應用于硅器件難以勝任的場合。第三代半導體材料——碳化硅單晶材料廣泛應用于電力電子器件、光電子器件等領域，在寬帶通訊、太陽能、汽車制造、半導體照明、智能電網等眾多戰略行業可以實現50%以上的節能效果，可以使裝備體積減小75%！

       這只是碳化硅半導體神奇作用的“冰山一角”。“萬能”的碳化硅似乎可以在更廣泛的領域施展拳腳，比如在國計、民生兩大領域都可以“擔當大任”。

       第二部分、引發像蒸汽機一樣的產業革命

       “蒸汽機的歷史意義，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。

       在瓦特改進蒸汽機之前，整個生產所需動力依靠人力和畜力。伴隨蒸汽機的發明和改進，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發明后被機械化生產取代。工業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，使人類社會發生了巨大的變革，對人類的現代化進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體材料，以其優異的半導體性能在各個現代工業領域都將發揮重要革新作用，應用前景和市場潛力巨大。而且我們已經看到，隨著碳化硅生產成本的降低，碳化硅半導體正在憑借其優良的性能逐步取代硅(Si)半導體，打破硅基由于材料本身性能的所遇到瓶頸，無疑，它將引發一場類似于蒸汽機一樣的產業革命！

       片段一：一顆驅動綠色經濟的“小心臟”

       一個小小的半導體碳化硅功率器件能夠改變什么？

       它能使石化系統實現節能46%，冶金系統節能42%，城市供排水系統節能45%，化工系統節能24%。

       我國目前風機、水泵、壓縮機系統總裝機容量約1.6億千瓦，年耗電近5000億千瓦時，如果改變調節方式，可實現節能10%—15%，約為500億—700億千瓦時，如此驚人的數字也都歸功于半導體碳化硅功率器件。在5千伏以上的高壓應用領域，半導體碳化硅功率器件在開關損耗與浪涌電壓上均有應用，開關損耗最大可降低92%。半導體碳化硅功率器件功耗降低效果明顯，設備的發熱量大幅減少，使得設備的冷卻機構進一步簡化，進而大幅度降低電機的體積和重量。同時，隨著電機冷卻機構簡化，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峻形勢。

       未來，半導體碳化硅材料制作成的功率器件將支撐起當今節能技術的發展趨向，成為節能設備最核心的部件，因此半導體碳化硅功率器件也被業界譽為功率變流裝置的“CPU”、綠色經濟的“核芯”。

       片段二：一輛跑得更快的新能源汽車

       新能源汽車產業要求逆變器(即馬達驅動)的半導體功率模塊，在處理高強度電流時，具有遠超出普通工業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、可靠性高的半導體碳化硅模塊完全符合新能源汽車要求。

       半導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，熱容進一步減少。更輕、更小的設備更使新能源汽車的載重壓力變小，進一步減小能量耗費，促進節能環保。

       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技術，降低飽和電壓，維持開關速度，減小芯片厚度，增大功率密度。另外，通過改進模塊內部的焊線工藝，將結溫提高到150攝氏度或175攝氏度，增加了功率循環次數，提高了可靠性，大大降低了能耗。

       實際上，半導體碳化硅材料除了在新能源汽車節能中占有重要地位外，在高鐵、太陽能、風能、電力輸送、UPS不間斷電源等電力電子領域均起到了卓越的節能環保作用。

       片段三：一種壽命更長，更加節能環保的LED照明

       從20世紀60年代初第一只LED誕生以來， LED經過40多年的努力，已經實現了紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七彩色LED的生產和應用。特別是1994年高亮度藍光LED的誕生，拉開了半導體照明燈(白光LED)逐步替代現有的白熾燈、日光燈作通用照明光源的序幕，引發照明工業的又一場革命。

       目前，可用于批量生產半導體照明燈外延片的襯底材料僅有藍寶石和碳化硅材料。碳化硅材料具有與氮化鎵晶格失配小、熱導率高、器件尺寸小、抗靜電能力強、可靠性高等優點，是氮化鎵系外延材料的理想襯底，由于其良好的熱導率(導熱性能比藍寶石襯底高出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，所產生的熱量可以通過電極直接導出；同時這種襯底不需要電流擴散層，因此光不會被電流擴散層的材料吸收，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口。現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能LED照明。建設綠色照明示范工程樹立起節能減排、環保先進的新形象，必將促進半導體碳化硅照明產業的進程，加快半導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。這正是碳化硅半導體的魅力。

       2014年伊始，美國總統奧巴馬親自主導成立了美國的碳化硅產業聯盟，他在成立大會講話中的一段話引人注目，“同以硅為基礎的技術相比，以碳化硅為代表的寬禁帶半導體能夠在在更高溫度和更高電壓及頻率的環境下正常工作，同時消耗更少的電力、具有更強的持久性和可靠性，并最終前所未有地發揮其性能。這些技術可以減少消費類電子產品的體積，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格。通過支持一個強大的寬禁帶半導體制造基地，美國可以引領多個世界上最大、增長速度最快的市場，從消費類電器、工業設備到通訊和清潔能源技術等方面；創造高薪就業機會，用以支撐日益龐大的中產階級。”

       奧巴馬的這一表態背后，是國家對以碳化硅半導體為代表的第三代寬禁帶半導體產業的強力支持。據了解，這個產業將獲得聯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業方面的國際競爭力。”

       而早在2013年日本政府就將碳化硅納入“首相戰略”，認為未來50%的節能要通過它來實現，創造清潔能源的新時代。在戰略性新興產業發展方興未艾的時代，全球都在期待碳化硅半導體帶來的奇跡。

       2013年9月29日，碳化硅半導體國際學會“ICSCRM 2013”召開，24個國家的半導體企業、科研院校等136家單位與會，人數達到794人次，為歷年來之最。國際知名的半導體器件廠商，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，已經應用在：太陽能發電用逆變器裝置、高電壓輸出DC/DC轉換器裝置以及馬達驅動用逆變器裝置等；德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所（Fraunhofer ISE）采用科銳的碳化硅MOSFET制備的7kW輸出太陽能發電用逆變器裝置，結果獲得97.81％的轉換效率，比目前最新Si基MOSFET轉換率提高了50.92個百分點，目前正在批量應用中；日本三菱電機利用碳化硅基SBD和碳化硅基MOSFET生產出的電機變頻器，與硅（Si）器件制造的同類產品相比，功耗減少70%。同時，采用碳化硅電機變頻器的整機體積約為采用Si電機變頻器整機體積的1/4，同時碳化硅電機變頻器的功耗比硅（Si）電機變頻器的功耗下降約54%。

       ……

       站在這些國際碳化硅巨頭背后的，則是碳化硅半導體器件的應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略的現實。而對于中國而言值得注意的是，在碳化硅材料方面曾經一直被美國科銳、日本新日鐵等國際公司所壟斷，而近年來，中國企業在碳化硅半導體產業上的努力和突破，已經使我們走在了世界最前沿。

       第四部分、山東企業打造碳化硅產業鏈

       “碳化硅晶體—碳化硅襯底—外延—芯片—器件—應用”，這是碳化硅一條完整的產業鏈條。

       在產業上游的碳化硅晶體、芯片制造領域目前被歐美日等少數幾家巨頭壟斷，因這一環節技術含量高，資本投入大，所以進入的壁壘遠遠高于勞動密集型的中下游環節，整個碳化硅半導體產業呈現金字塔形的產業結構。我國的電子器件主要依靠進口，其中2012年的進口額就高達2000億美元，超過了石油進口額。

       半導體碳化硅襯底及芯片的重要戰略價值，使其始終穩居美國商務部的禁運名單，這也導致我國很難從國外獲得相應產品。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的尷尬不同，來自山東的一家高科技企業已經將碳化硅半導體產業做到了行業前列。

       依托山東大學晶體材料國家重點實驗室(中國晶體材料領域唯一重點實驗室)，是山東大學承擔的國家973和863計劃碳化硅重大項目產業化基地和聯合研發中心。在已故著名科學家中國科學院蔣民華院士的帶領下，經過十多年艱苦努力，突破層層技術障礙，打破國外壟斷，成為世界上少數幾個掌握此技術的單位之一，目前技術成熟可靠。

       作為產學研合作的成功案例，山東天岳對項目進行了產業轉化——三年的產業化嘗試，幾億元的銷售產值，天岳填補了國內在該領域的空白，打破歐美發達國家長期以來對我國的技術壟斷、產品禁運，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，“山東創造”的碳化硅產品已經開始得到廣泛應用。以路燈為例。據統計，如果使用半導體碳化硅材料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，如果用半導體碳化硅LED取代全部白熾燈或部分取代熒光燈，可節省三分之一的照明用電，即1000億千瓦時，這也就意味著節省了相當于總投資超過2000億元人民幣的三峽工程全年的發電量。這對于能源供應緊張的我國來說，具有重要的戰略意義。根據新能源產業技術綜合開發研究機構的估算結果，到2030年，隨著半導體碳化硅材料的普及，如將內置半導體器件全部由碳化硅材料制作，與傳統的硅材料器件相比中，電力損耗下降幅度最高可達47%。

       尾 聲

       2012年7月，國務院印發的《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》(下稱《規劃》)中提到的七大新興產業是節能環保產業、新一代信息技術產業、生物產業、高端裝備制造產業、新能源產業、新材料產業和新能源汽車產業。《規劃》提出，未來的發展目標是我國新興產業對GDP的貢獻率到2015年達到8%，2020年達到15%，2030年達到30%。這對新興產業特別是碳化硅半導體產業來說無疑是巨大的發展機遇。

       一方面，傳統產業是山東省的優勢產業，面臨著比重大、層次低、競爭力不強的問題，因此傳統產業轉型升級的任務更為迫切；另一方面，節能降耗和污染防治是建設資源節約型和環境友好型社會的重要抓手，也是產業轉型的一個重要目標。

       碳化硅半導體產業作為引領未來經濟發展的戰略“引擎”和決定性因素，必將在上兩個方面起到關鍵作用。而這也是碳化硅半導體產業支持經濟轉型，對“省長之問”做出的最好回答。