“要么做真正原創(chuàng)性的基礎研究，要么做意義重大、促進產業(yè)發(fā)展的研究，不能做一些兩不靠的工作，這些意義不大，我們的理想是兩者兼顧。”這是中國科學院物理研究所研究員陳小龍一直以來所堅守的信念。
陳小龍長期從事第三代半導體材料碳化硅晶體制備的基礎和應用基礎研究，20多年來，他帶領團隊從零開始自主創(chuàng)新，搶占科技制高點，打破國外封鎖，實現(xiàn)了國產化。
2023年底，陳小龍帶領團隊另辟蹊徑，實現(xiàn)了晶圓級立方碳化硅單晶生長的新突破，它區(qū)別于目前應用廣泛的六方碳化硅（4H-SiC），有望制備出具有更高性能的碳化硅基晶體管，這是國際首次獲得可量產、可商業(yè)化的晶圓級立方碳化硅單晶生長技術。
今年年初，陳小龍當選2023年中國科學院年度創(chuàng)新人物。
“另辟蹊徑”獲取新突破
作為第三代半導體材料，碳化硅晶體是新能源汽車、光伏和5G通訊等急需的戰(zhàn)略性半導體材料，是材料領域發(fā)展最快、國際競爭最激烈的方向之一。
目前已發(fā)現(xiàn)碳化硅類型多達200多種，商業(yè)化應用最為廣泛的碳化硅晶型之一是六方碳化硅。高質量碳化硅單晶的生長極其困難，不僅要滿足2300攝氏度以上的高溫，在生長過程中還喜歡“七十二變”，極不穩(wěn)定，因此，只有少數(shù)掌握國家掌握了碳化硅晶體生長技術細節(jié)。
六方碳化硅雖在商業(yè)上最成熟，但仍存在因柵氧界面缺陷多而導致器件可靠性差等問題，科學家們試圖開發(fā)新一代立方碳化硅。
與六方碳化硅相比，立方碳化硅的載流子遷移率、熱傳導性能、機械性能都更勝一籌，更有助于制造高性能、高可靠、長壽命的晶體管器件。
然而，立方碳化硅的晶體生長的挑戰(zhàn)更大，歐洲的7個國家共14個團隊組織起來開展了名為“挑戰(zhàn)者計劃”的項目，就是為了把立方碳化硅的晶體、外延、器件做出來，然而，他們至今沒有完全成功，因無法克服晶體生長環(huán)節(jié)的相變和開裂，目前生長出的晶體厚度僅1mm-2mm，成本高，難以產業(yè)化。
陳小龍介紹，立方碳化硅的晶體生長的難度就在于，在生長過程中很容易發(fā)生相變，不穩(wěn)定，不能獲得大尺寸單一晶型的晶體，必須要探索新的生長方法。
2017年，陳小龍決定開辟“新賽道”，探索液相碳化硅晶體生長新方法。
“陳老師始終強調基礎研究的重要性，回歸最根本才是能實現(xiàn)原始創(chuàng)新有所創(chuàng)新，對于碳化硅晶體其生長方法和原理就是本源。”陳小龍團隊成員、中國科學院物理研究所研究員郭建剛告訴《中國科學報》。
歷時四年，陳小龍團隊在過往的經(jīng)驗基礎上，創(chuàng)新性地提出了調控固—液界面能，在異質籽晶上較同質籽晶優(yōu)先形核和生長的學術思想。
他們以該思想為指導，在高溫下測出了熔體和不同晶型立方體晶體的界面能變化規(guī)律，利用高溫液相法，最終抑制了生長過程中的相變，生長出了直徑2-4英寸、厚度4-10 mm、單一晶型的立方碳化硅單晶，這種晶圓級、高質量的大塊立方碳化硅晶體在國際上是首次。
“襯底是下游半導體芯片制作中最關鍵的原料之一。”陳小龍告訴《中國科學報》，立方碳化硅的外延和器件制備與目前主流六方碳化硅的工藝和設備都能兼容。我們將進一步提高晶體生長穩(wěn)定性和可靠性，同時向更大的尺寸和厚度發(fā)展，為規(guī)模生產奠定了基礎。
“如果說我們還在追趕傳統(tǒng)的六方碳化硅，那么在新一代立方體碳化硅方面，我們已經(jīng)走在了世界前列。”陳小龍自豪地說。
35歲“從零開始”
陳小龍能夠做出了別人沒有做出的材料，離不開他在這一領域數(shù)十年的深耕和堅守。
陳小龍帶領團隊從基礎研究到應用研究，從生長設備到高質量碳化硅單晶生長和加工等關鍵技術都取得突破，突破了國外對我國的長期封鎖，形成了具有自主知識產權的完整技術路線，實現(xiàn)了碳化硅單晶國產化。
從無到有，從跟跑到并跑，甚至開始領跑的過程，需要魄力和耐心。
上世紀90年代，在中國，碳化硅單晶研究還是少有人關注的“冷門”方向。
當時，美國半導體行業(yè)快速發(fā)展，碳化硅開始商業(yè)化，尤其在上世紀九十年代初，美國科學家成功研發(fā)碳化硅襯底LED技術，引發(fā)廣泛關注。
那時，30多歲的陳小龍在結構分析和物相關系研究領域已頗有成就，當大洋彼岸傳來信息時，在他深深意識到，寬禁帶半導體行業(yè)未來的發(fā)展不可估量。
“我認為它很有潛力，如果做出來，未來對中國一定非常有用。” 1999年，在當時所領導和實驗室負責人的支持下，陳小龍正式“改行”并成為晶體生長組的組長。彼時，研究組主要進行激光晶體的生長，雖然都是晶體生長，但兩種材料大相徑庭。
在事業(yè)上升的35歲“從零開始”，難度并不小。
碳化硅是一種性能優(yōu)異的半導體材料，具有帶隙寬、耐高壓、導熱率高等優(yōu)勢。事實上，這是人們早已認識到的，難就難在怎么把它“生長”出來，這也是碳化硅發(fā)展前期被“冷落”多年的原因。
當時，只有美國等少數(shù)國家掌握2英寸晶體生長技術，對我國實施全面技術封鎖，陳小龍想試一試，看能不能把生長這個科學問題解決掉。
氣相法晶體生長擴徑是世界公認的難題，這也是幾十年中碳化硅僅穩(wěn)定到8英寸的原因之一。
由于沒有任何生長方法的經(jīng)驗可借鑒，他們先吃透基本生長原理，從畫圖紙、設計爐子開始，與儀器廠配合，設計并制備出滿足要求的晶體生長爐，進行大量的實驗，掌握了原料的升華、輸運和生長的熱力學和動力學基本過程，以及缺陷的形成機理，防止自發(fā)生核進行擴徑的方法等關鍵科學和技術問題。
經(jīng)過7年的努力，他們從早期晶體尺寸不足10毫米將晶體尺寸擴大到2英寸，有了全自主的設備制造和晶體生長的完整技術路線，實現(xiàn)了從無到有的重大突破。
陳小龍沒有停下腳步，帶領團隊逐步實現(xiàn)了高質量的2至8英寸碳化硅晶體的穩(wěn)定生長，并成功地應用于產業(yè)。此外，還發(fā)明了等面積多線切割技術，新型研磨液和拋光液，大幅降低了加工成本。
采訪中，陳小龍很少提及“坐冷板凳”的那段歷程，當被問及最難的時刻是否想過放棄時，他淡淡地說了句，“不能放棄，國家已經(jīng)投入了很多，要有一個交代。”
“外國已經(jīng)‘卡’不住我們了”
基礎研究的突破為產業(yè)發(fā)展帶來了強勁的動力和支持。
2006年，陳小龍在無經(jīng)驗可借鑒的情況下，與有關方面合作創(chuàng)辦了國內第一家碳化硅晶體產業(yè)化企業(yè)——北京天科合達半導體股份有限公司（簡稱“天科合達”），建立了完整的碳化硅晶片生產線。
他們經(jīng)歷了10年的蟄伏，直到2016年前后一朝綻放。隨著新能源汽車的發(fā)展、國家“雙碳”戰(zhàn)略的提出，碳化硅成為國家新興材料的“寵兒”。
如今，天科合達向國內100多家科研機構和企業(yè)批量供片，在導電型碳化硅襯底供應商中市場排名國內第一、國際第四。
碳化硅晶體的國產化，滿足了國家重大需求，帶動了中車、國網(wǎng)、泰科天潤基本半導體等20余家國內企業(yè)進入下游器件、封裝和模塊產業(yè)，促使國內形成了完整的碳化硅半導體產業(yè)鏈，帶動了我國寬禁帶半導體產業(yè)的發(fā)展，促進我國的新能源汽車和光伏等產業(yè)進入世界前列。
“目前，晶體、襯底基本可以滿足國產需求，無論從質量還是產量上都實現(xiàn)了自主可控。”陳小龍欣慰地說，“經(jīng)過多年的努力，外國已經(jīng)‘卡’不住我們的脖子。”
“尺寸越來越大，缺陷越來越少，質量越來越好。”這是陳小龍的夢想。
2017年，陳小龍帶領團隊在松山湖材料實驗室又開展了碳化硅同質外延技術的研究，為碳化硅器件的制備提供外延片，他們發(fā)展了特色的外延技術，解決了外延片生長的厚度和載流子均勻性的問題，并已開始了高質量外延片的產業(yè)化。
如今，陳小龍再次“歸零”。
近年來，他又帶領團隊致力于先進功能材料設計和新物性和新現(xiàn)象的探索，這又是從零到一、從無到有的工作，“新穎的結構會帶來新的物理性質，我們探索一些新型材料和結構，發(fā)掘新現(xiàn)象，深入理解結構和物理性質之間的關聯(lián)。”
前路還有諸多未知，但這一次，陳小龍更有底氣和信心。
陳小龍和團隊在做實驗（物理所供圖）
陳小龍和團隊在做實驗（物理所供圖）
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