原標(biāo)題：20余年堅(jiān)守創(chuàng)新 他為國(guó)產(chǎn)碳化硅“開路”

“要么做真正原創(chuàng)性的基礎(chǔ)研究，要么做意義重大、促進(jìn)產(chǎn)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(guó)科學(xué)院物理研究所研究員陳小龍一直以來堅(jiān)守的信念。

陳小龍長(zhǎng)期從事第三代半導(dǎo)體材料碳化硅晶體制備的基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。20多年來，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從零開始自主創(chuàng)新，搶占科技制高點(diǎn)，打破國(guó)外封鎖，實(shí)現(xiàn)碳化硅單晶國(guó)產(chǎn)化。

2023年底，陳小龍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)立方碳化硅單晶生長(zhǎng)的新突破。該晶體區(qū)別于目前應(yīng)用廣泛的六方碳化硅（4H-SiC），有望制備出更高性能的碳化硅基晶體管。這是國(guó)際首次獲得可量產(chǎn)、可商業(yè)化的晶圓級(jí)立方碳化硅單晶生長(zhǎng)技術(shù)。近期，陳小龍獲評(píng)2023年中國(guó)科學(xué)院年度創(chuàng)新人物。

“另辟蹊徑”獲取新突破

作為第三代半導(dǎo)體材料，碳化硅晶體是新能源汽車、光伏和5G通信等行業(yè)急需的戰(zhàn)略性半導(dǎo)體材料，是材料領(lǐng)域發(fā)展最快、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)最激烈的方向之一。

目前已發(fā)現(xiàn)的碳化硅類型有200多種，其中商業(yè)化應(yīng)用最為廣泛的碳化硅晶型之一是六方碳化硅。然而，高質(zhì)量碳化硅單晶生長(zhǎng)極其困難，不僅要滿足2300攝氏度以上的高溫制備條件，其在生長(zhǎng)過程中還喜歡“七十二變”，極不穩(wěn)定，因此，只有少數(shù)國(guó)家掌握了碳化硅晶體生長(zhǎng)技術(shù)細(xì)節(jié)。

陳小龍（前）和團(tuán)隊(duì)在做實(shí)驗(yàn)。物理所供圖

六方碳化硅雖然是商業(yè)化應(yīng)用最成熟的，但仍存在因柵氧界面缺陷多而導(dǎo)致的器件可靠性差等問題。與六方碳化硅相比，立方碳化硅的載流子遷移率、熱傳導(dǎo)性能、機(jī)械性能都更勝一籌，更有助于制造高性能、高可靠性、長(zhǎng)壽命的晶體管器件。

然而，立方碳化硅的晶體生長(zhǎng)挑戰(zhàn)更大。歐洲7個(gè)國(guó)家的14個(gè)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開展了名為“挑戰(zhàn)者計(jì)劃”的項(xiàng)目，旨在攻克立方碳化硅的晶體、外延和器件制備難題。然而，因無法避免晶體生長(zhǎng)環(huán)節(jié)的相變和開裂，他們至今沒有完全成功，目前生長(zhǎng)出的晶體厚度僅一兩毫米，成本高且難以產(chǎn)業(yè)化。

陳小龍深知，立方碳化硅晶體生長(zhǎng)難點(diǎn)在于其生長(zhǎng)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，因此必須探索新的生長(zhǎng)方法。2017年，他決定開辟新賽道，探索液相碳化硅晶體生長(zhǎng)新方法。

“陳老師始終強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)研究的重要性，回歸最根本才能有所創(chuàng)新、才能實(shí)現(xiàn)原始創(chuàng)新。對(duì)于碳化硅晶體制備，生長(zhǎng)方法和原理就是本源。”陳小龍團(tuán)隊(duì)成員、中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員郭建剛告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

歷時(shí)4年，陳小龍團(tuán)隊(duì)在已往研究基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出了調(diào)控固-液界面能，在異質(zhì)籽晶上較同質(zhì)籽晶優(yōu)先形核和生長(zhǎng)的學(xué)術(shù)思想。他們以該思想為指導(dǎo)，在高溫下測(cè)出了熔體和不同晶型立方體晶體的界面能變化規(guī)律，利用高溫液相法抑制了生長(zhǎng)過程中的相變，生長(zhǎng)出了直徑2到4英寸、厚度4到10毫米的單一晶型立方碳化硅單晶。這是國(guó)際上首次制備出晶圓級(jí)、高質(zhì)量的大塊立方碳化硅晶體。

“襯底是下游半導(dǎo)體芯片制作中最關(guān)鍵的原料之一。”陳小龍告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，立方碳化硅的外延和器件制備與目前主流六方碳化硅采用的工藝和設(shè)備能夠兼容，他們將進(jìn)一步提高晶體生長(zhǎng)穩(wěn)定性和可靠性，向更大尺寸和厚度的制備方向發(fā)展，為規(guī)?；a(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

“如果在傳統(tǒng)六方碳化硅方面我們還在追趕，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”“不能放棄”

陳小龍之所以能做出別人沒做出的材料，離不開他在這一領(lǐng)域數(shù)十年的深耕和堅(jiān)守。從無到有、從跟跑到并跑甚至開始領(lǐng)跑的過程，需要魄力和耐心。

上世紀(jì)90年代，在中國(guó)，碳化硅單晶研究是“冷門”方向，而當(dāng)時(shí)美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展迅速，碳化硅開始商業(yè)化，美國(guó)科學(xué)家成功研發(fā)碳化硅襯底LED技術(shù)更是引發(fā)廣泛關(guān)注。那時(shí)，30多歲的陳小龍?jiān)诮Y(jié)構(gòu)分析和物相關(guān)系研究領(lǐng)域已頗有成就，當(dāng)大洋彼岸傳來這一消息時(shí)，他深深意識(shí)到，寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)未來的發(fā)展不可估量。

“我認(rèn)為它很有潛力，如果做出來，對(duì)中國(guó)一定非常有用。”陳小龍回憶。

事實(shí)上，人們?cè)缇驼J(rèn)識(shí)到碳化硅是一種性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，但怎么把它生長(zhǎng)出來是難題，這也是碳化硅前期被“冷落”多年的原因。當(dāng)時(shí)，只有美國(guó)等少數(shù)國(guó)家掌握2英寸晶體生長(zhǎng)技術(shù)，并對(duì)我國(guó)實(shí)施全面技術(shù)封鎖。陳小龍想試一試，把這個(gè)科學(xué)問題解決掉。

1999年，在當(dāng)時(shí)研究所領(lǐng)導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人的支持下，35歲的陳小龍正式“改行”并擔(dān)任晶體生長(zhǎng)組的組長(zhǎng)。在事業(yè)上升期“從零開始”做研究，非常需要勇氣。

氣相法晶體生長(zhǎng)擴(kuò)徑是世界公認(rèn)的難題，也是幾十年中碳化硅僅穩(wěn)定在8英寸的原因之一。由于沒有任何生長(zhǎng)方法的經(jīng)驗(yàn)可借鑒，陳小龍等人只能先吃透基本生長(zhǎng)原理，從畫圖紙、設(shè)計(jì)爐子開始，與儀器廠配合，設(shè)計(jì)并制備出滿足要求的晶體生長(zhǎng)爐，通過大量實(shí)驗(yàn)掌握原料的升華、輸運(yùn)，生長(zhǎng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)基本過程，以及缺陷的形成機(jī)理、防止自發(fā)生核進(jìn)行擴(kuò)徑的方法等關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)。

經(jīng)過7年努力，他們將晶體從早期不足10毫米的生長(zhǎng)尺寸擴(kuò)大到2英寸，有了全自主的設(shè)備制造和晶體生長(zhǎng)完整技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了從無到有的重大突破。

陳小龍沒有停下腳步，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)逐步實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的2至8英寸碳化硅晶體的穩(wěn)定生長(zhǎng)，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。此外，他們還發(fā)明了等面積多線切割技術(shù)、新型研磨液和拋光液，大幅降低了加工成本。

陳小龍很少提及“坐冷板凳”的那段歷程，當(dāng)被問及最難的時(shí)候是否想過放棄，他淡淡地回道，“不能放棄，國(guó)家已經(jīng)投入了很多，要有一個(gè)交代。”

外國(guó)已經(jīng)“卡”不住我們了

基礎(chǔ)研究的突破為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了強(qiáng)勁的動(dòng)力和支持。

2006年，陳小龍?jiān)跓o經(jīng)驗(yàn)可借鑒的情況下，與有關(guān)方面合作創(chuàng)辦了國(guó)內(nèi)第一家碳化硅晶體產(chǎn)業(yè)化企業(yè)——北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱天科合達(dá)），建立了完整的碳化硅晶片生產(chǎn)線。

他們歷經(jīng)10年蟄伏，直到2016年前后一朝綻放。隨著新能源汽車的發(fā)展、國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的提出，碳化硅成為國(guó)家新興材料的“寵兒”。

如今，天科合達(dá)向國(guó)內(nèi)100多家科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)批量供片，在導(dǎo)電型碳化硅襯底供應(yīng)商中市場(chǎng)排名國(guó)內(nèi)第一、國(guó)際第四。

碳化硅晶體的國(guó)產(chǎn)化，滿足了國(guó)家重大需求，帶動(dòng)了20余家國(guó)內(nèi)企業(yè)進(jìn)入下游器件、封裝和模塊產(chǎn)業(yè)，促使國(guó)內(nèi)形成了完整的碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，帶動(dòng)了我國(guó)寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)新能源汽車和光伏等產(chǎn)業(yè)進(jìn)入世界前列。

“目前，晶體、襯底基本可以滿足國(guó)產(chǎn)需求，無論從質(zhì)量還是產(chǎn)量上都實(shí)現(xiàn)了自主可控。”陳小龍欣慰地說，“經(jīng)過多年的努力，外國(guó)已經(jīng)‘卡’不住我們的脖子了。”

“尺寸越來越大，缺陷越來越少，質(zhì)量越來越好”是陳小龍的夢(mèng)想。

2017年，陳小龍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在松山湖材料實(shí)驗(yàn)室開展碳化硅同質(zhì)外延技術(shù)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(shù)，解決了外延片生長(zhǎng)厚度和載流子均勻性的問題，并開始推動(dòng)高質(zhì)量外延片的產(chǎn)業(yè)化。

近年來，陳小龍?jiān)俅?ldquo;歸零”，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)致力于先進(jìn)功能材料設(shè)計(jì)和新物性與新現(xiàn)象的探索。這又是一項(xiàng)“從0到1”、從無到有的工作。

“新穎的結(jié)構(gòu)會(huì)帶來新的物理性質(zhì)，我們探索一些新型材料和結(jié)構(gòu)，發(fā)掘新現(xiàn)象，深入理解結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)。”陳小龍說。前路還有諸多未知，但這一次，他更有底氣和信心。

來源：中國(guó)科學(xué)報(bào)