充电十分钟，行驶数百公里；机器人、无人机等体积越来越小、重量越来越轻，操作更灵敏……这些日常生活和工作重点场景均离不开新材料的助力。
今天，“新质生产力看北京”走进北京晶格领域半导体有限公司（以下简称晶格领域）、北京中博芯半导体科技有限公司（以下简称中博芯），一起了解北京新材料领域“新新”向荣之势。
走进晶格领域，便可以看到一个个薄薄的晶片紧密排列在展示柜里，它们就是第三代半导体代表性材料碳化硅衬底。
别看它们看起来黑黢黢的好像很普通，实际上能力超凡——能承受更大的电流和电压，这使得产品设计可以更小且效率更高；开关速度大约是硅的3至10倍，适用于更高频率和更快的开关速度；禁带宽度是硅的2至3倍，高温下电子不容易跃迁，能承受更高的工作温度。总的来说就是，碳化硅又耐高压又耐高频还耐高温，在新能源汽车、轨道交通、高压输变电、光伏、5G通讯等领域均能发挥重要作用。
性能优异的碳化硅晶体对生长环境的要求非常严苛，需要在2000℃以上且接近真空的高温低压环境下，精密控制原子运动，整个过程环境变量多，可监控手段有限。
碳化硅虽然有着优越的电学和热学性能，但有限的产能和偏高的成本，成为其步入大规模应用阶段的“拦路虎”。
晶格领域是国内首家采用以液相法为核心技术生长碳化硅晶体的企业，其生产过程是将固态的原材料放置在高温的环境下，融化成液体，再在液体当中重新结晶，长出碳化硅单晶，相较物理气相传输法生长技术，液相法可以有效降低超过30%的晶片成本。液相法还可以解决物理气相传输法P型掺杂难以实现的问题，可生长出低阻p型碳化硅晶体，用于制作双极性器件、IGBT器件等大功率器件。
“及时掌握晶体状态可以有效提高生产效率，但是碳化硅生长温度高，肉眼难以观察，我们便想办法设计出了全世界第一台能测2000℃助溶液性质的设备，可以提升几十倍的生产效率，同时带动了产业链的发展。”晶格领域总经理张泽盛讲解。
为了降低单个器件的成本，进一步扩大碳化硅衬底尺寸，在单个衬底上增加器件的数量是降低成本的另一个重要途径。通过持续攻关，晶格领域逐步扩大碳化硅晶体的尺寸，目前已成功生长出4至8英寸液相法碳化硅晶体。
晶体滚圆设备
一台台自动化设备高速运转，工程师们严密监测着，黑色的碳化硅晶体正在液体中缓慢成长……在晶格领域碳化硅晶片生产线上，一派“热气腾腾”的生产景象。“我们的机器是24小时运转的。”张泽盛说。
在生产线现场，不仅能看到晶格领域自主研发的单晶生产设备，还能看到许多“北京户籍”的仪器，张泽盛指着其中一台仪器介绍：“这是减薄机，是北京顺义的企业研发的，能加工异形晶片，北京的产业集聚效应为公司的发展带来了很多便利。”
为满足产品批量供应需求，晶格领域已开始进行规模化产线规划和布局，产线全面建成后，将具备年产27万片碳化硅衬底的生产能力。
氮化镓外延片是指在特定条件下，通过物理或化学过程在衬底上生长的单晶氮化镓薄膜，这层新材料与衬底材料具有相同的晶体结构，但可能具有不同的组成或掺杂浓度，从而获得某些特殊性能。
在氮化镓的加持下，搭载氮化镓器件的充电器件均实现了体积缩减一半，但充电效率提高一倍的能力，使电子设备变得更“轻”更“快”。氮化镓在半导体照明、新一代移动通讯等领域有重大应用，是全球高技术竞争和战略性新兴产业发展的关键领域。
2018年，北京大学物理学院教授沈波团队发明了有效提升外延质量的图形化蓝宝石衬底新技术和外延生长新方法，制备出部分质量指标国际领先的氮化物半导体外延材料，比较好地解决了衬底和氮化镓失配的问题，并实现了产业化应用。凭借这项技术，沈波团队获得了2018年度国家技术发明奖二等奖，并得到了国际同行的高度评价，包括诺贝尔奖获得者在内的多位国际知名学者进行了引用或评价。
2020年9月，在北京市、顺义区政府的支持下和北京大学的助力下，中博芯公司成立了。
中博芯虽然是一家年轻的创业公司，但核心团队汇聚国内半导体行业的顶尖人才，具备丰富的行业技术经验积累。“公司技术团队成员主要来自北京大学宽禁带半导体研究中心，我们的技术和产品在市场还是非常受到认可的。”中博芯总经理张立胜介绍。
以科技强国为使命，以自主创新为引领，是中博芯一直以来的坚持。
2023年6月，沈波团队在氮化物宽禁带半导体大失配异质外延研究方面取得重要进展，创新发展了一种“可控离散和可控聚合”的外延方法。相关研究成果发表于《自然-材料》，并被评为2023年度“中国半导体十大研究进展”之一。
“正是因为这些技术基础，我们很顺利、迅速地进入了产品开发和应用推广阶段。”张立胜说。
目前中博芯已经拥有4条晶圆外延线，能够覆盖2英寸到8英寸的氮化镓晶圆材料的生产，其中，6英寸、8英寸的晶圆产能每年约15000片，预计明年产能达到30000片。与中博芯达成商务合作关系的下游国内外头部企业和科研机构数量已经超过百家。
“一代材料，一代创新”。新材料是新型工业化的重要支撑，是国家大力发展的战略性新兴产业，也是加快发展新质生产力、扎实推进高质量发展的重要产业方向。
北京积极落实中央相关要求，发布一系列针对性支持政策，不断畅通前沿技术走出实验室的快速路，在京新材料企业实力逐步增强。
据不完全统计，北京20余家高校、10余家中国科学院研究所均设有材料类学科或研究方向；近30家在京央企均有新材料布局；40余家上市企业、900余家高新技术企业从事新材料相关产业。
2024年5月，“北京市新材料产业投资基金”获得市政府批复设立，整体规模100亿元，将投向电子信息材料、绿色能源材料、特种及功能材料以及前沿新材料等重点领域。
9月30日，晶格领域获得了1.2亿的基金支持。“从2016年我们获得北京市科委、中关村管委会的课题支持开始，一直到今年获得这么大的资金支持，我们公司一路都是在北京市政府，北京市科委、中关村管委会的支持下走过来的，非常感谢。”张泽盛说。
晶格领域在获得投资后，将重点完成小规模产线建设，整线预计2025年初建成，届时公司将具备年产2.5万片碳化硅衬底的生产能力，为新材料产业的发展贡献重要力量。
“北京市科委、中关村管委会对第三代半导体的发展已经连续支持十几年了，在我们创业初期的时候给予了极大的帮助，包括人才、资金、基建等方面。还有北京市形成的三代半导体产业集群对于公司的发展都很有利。”张立胜说。
北京新材料产业结合资源禀赋，逐步形成了以海淀区为创新策源区，顺义、房山、大兴等为产业主要承载区的发展格局。作为国内新材料创新优势领先城市，北京将持续协助扶持新材料产业科技成果落地，打造未来产业的“北京标杆”。
下一期，《新质生产力看北京》将与您分享“氢能”相关领域的最新探索！敬请期待！
注：
P型掺杂：是一种半导体材料的掺杂方式，通过在硅材料中掺入如硼或镓这样的杂质元素，这些元素的最外层电子数量少于硅原子的最外层电子数量，增强导电性，P型掺杂剂的浓度越高，P型掺杂材料的导电性能越强
IGBT：绝缘栅双极型晶体管
碳化硅衬底：是通过将碳化硅晶体沿特定结晶方向切割、研磨、抛光后得到的单晶圆薄片
