20余年坚守创新  他为国产碳化硅“开路”

本文转自：中国科学报

陈小龙（前）和团队在做实验。物理所供图

■本报记者 韩扬眉 实习生 蒲雅杰

“要么做真正原创性的基础研究，要么做意义重大、促进产业发展的研究，不能做一些‘两不靠’的工作，这些意义不大，我们的理想是两者兼顾。”这是中国科学院物理研究所研究员陈小龙一直以来坚守的信念。

陈小龙长期从事第三代半导体材料碳化硅晶体制备的基础和应用基础研究。20多年来，他带领团队从零开始自主创新，抢占科技制高点，打破国外封锁，实现碳化硅单晶国产化。

2023年底，陈小龙带领团队另辟蹊径，实现了晶圆级立方碳化硅单晶生长的新突破。该晶体区别于目前应用广泛的六方碳化硅（4H-SiC），有望制备出更高性能的碳化硅基晶体管。这是国际首次获得可量产、可商业化的晶圆级立方碳化硅单晶生长技术。近期，陈小龙获评2023年中国科学院年度创新人物。

“另辟蹊径”获取新突破

作为第三代半导体材料，碳化硅晶体是新能源汽车、光伏和5G通信等行业急需的战略性半导体材料，是材料领域发展最快、国际竞争最激烈的方向之一。

目前已发现的碳化硅类型有200多种，其中商业化应用最为广泛的碳化硅晶型之一是六方碳化硅。然而，高质量碳化硅单晶生长极其困难，不仅要满足2300摄氏度以上的高温制备条件，其在生长过程中还喜欢“七十二变”，极不稳定，因此，只有少数国家掌握了碳化硅晶体生长技术细节。

六方碳化硅虽然是商业化应用最成熟的，但仍存在因栅氧界面缺陷多而导致的器件可靠性差等问题。与六方碳化硅相比，立方碳化硅的载流子迁移率、热传导性能、机械性能都更胜一筹，更有助于制造高性能、高可靠性、长寿命的晶体管器件。

然而，立方碳化硅的晶体生长挑战更大。欧洲7个国家的14个团队联合开展了名为“挑战者计划”的项目，旨在攻克立方碳化硅的晶体、外延和器件制备难题。然而，因无法避免晶体生长环节的相变和开裂，他们至今没有完全成功，目前生长出的晶体厚度仅一两毫米，成本高且难以产业化。

陈小龙深知，立方碳化硅晶体生长难点在于其生长过程中很容易发生相变、不稳定，不能获得大尺寸单一晶型的晶体，因此必须探索新的生长方法。2017年，他决定开辟新赛道，探索液相碳化硅晶体生长新方法。

“陈老师始终强调基础研究的重要性，回归最根本才能有所创新、才能实现原始创新。对于碳化硅晶体制备，生长方法和原理就是本源。”陈小龙团队成员、中国科学院物理研究所研究员郭建刚告诉《中国科学报》。

历时4年，陈小龙团队在已往研究基础上，创新性地提出了调控固-液界面能，在异质籽晶上较同质籽晶优先形核和生长的学术思想。他们以该思想为指导，在高温下测出了熔体和不同晶型立方体晶体的界面能变化规律，利用高温液相法抑制了生长过程中的相变，生长出了直径2到4英寸、厚度4到10毫米的单一晶型立方碳化硅单晶。这是国际上首次制备出晶圆级、高质量的大块立方碳化硅晶体。

“衬底是下游半导体芯片制作中最关键的原料之一。”陈小龙告诉《中国科学报》，立方碳化硅的外延和器件制备与目前主流六方碳化硅采用的工艺和设备能够兼容，他们将进一步提高晶体生长稳定性和可靠性，向更大尺寸和厚度的制备方向发展，为规模化生产奠定基础。

“如果在传统六方碳化硅方面我们还在追赶，那么在新一代立方体碳化硅方面，我们已经走在了世界前列。”陈小龙自豪地说。

35岁“从零开始”“不能放弃”

陈小龙之所以能做出别人没做出的材料，离不开他在这一领域数十年的深耕和坚守。从无到有、从跟跑到并跑甚至开始领跑的过程，需要魄力和耐心。

上世纪90年代，在中国，碳化硅单晶研究是“冷门”方向，而当时美国半导体行业发展迅速，碳化硅开始商业化，美国科学家成功研发碳化硅衬底LED技术更是引发广泛关注。那时，30多岁的陈小龙在结构分析和物相关系研究领域已颇有成就，当大洋彼岸传来这一消息时，他深深意识到，宽禁带半导体行业未来的发展不可估量。

“我认为它很有潜力，如果做出来，对中国一定非常有用。”陈小龙回忆。

事实上，人们早就认识到碳化硅是一种性能优异的半导体材料，但怎么把它生长出来是难题，这也是碳化硅前期被“冷落”多年的原因。当时，只有美国等少数国家掌握2英寸晶体生长技术，并对我国实施全面技术封锁。陈小龙想试一试，把这个科学问题解决掉。

1999年，在当时研究所领导和实验室负责人的支持下，35岁的陈小龙正式“改行”并担任晶体生长组的组长。在事业上升期“从零开始”做研究，非常需要勇气。

气相法晶体生长扩径是世界公认的难题，也是几十年中碳化硅仅稳定在8英寸的原因之一。由于没有任何生长方法的经验可借鉴，陈小龙等人只能先吃透基本生长原理，从画图纸、设计炉子开始，与仪器厂配合，设计并制备出满足要求的晶体生长炉，通过大量实验掌握原料的升华、输运，生长的热力学和动力学基本过程，以及缺陷的形成机理、防止自发生核进行扩径的方法等关键科学技术。

经过7年努力，他们将晶体从早期不足10毫米的生长尺寸扩大到2英寸，有了全自主的设备制造和晶体生长完整技术路线，实现了从无到有的重大突破。

陈小龙没有停下脚步，他带领团队逐步实现了高质量的2至8英寸碳化硅晶体的稳定生长，并实现产业应用。此外，他们还发明了等面积多线切割技术、新型研磨液和抛光液，大幅降低了加工成本。

陈小龙很少提及“坐冷板凳”的那段历程，当被问及最难的时候是否想过放弃，他淡淡地回道，“不能放弃，国家已经投入了很多，要有一个交代。”

外国已经“卡”不住我们了

基础研究的突破为产业发展带来了强劲的动力和支持。

2006年，陈小龙在无经验可借鉴的情况下，与有关方面合作创办了国内第一家碳化硅晶体产业化企业——北京天科合达半导体股份有限公司（以下简称天科合达），建立了完整的碳化硅晶片生产线。

他们历经10年蛰伏，直到2016年前后一朝绽放。随着新能源汽车的发展、国家“双碳”目标的提出，碳化硅成为国家新兴材料的“宠儿”。

如今，天科合达向国内100多家科研机构和企业批量供片，在导电型碳化硅衬底供应商中市场排名国内第一、国际第四。

碳化硅晶体的国产化，满足了国家重大需求，带动了20余家国内企业进入下游器件、封装和模块产业，促使国内形成了完整的碳化硅半导体产业链，带动了我国宽禁带半导体产业的发展，促进我国新能源汽车和光伏等产业进入世界前列。

“目前，晶体、衬底基本可以满足国产需求，无论从质量还是产量上都实现了自主可控。”陈小龙欣慰地说，“经过多年的努力，外国已经‘卡’不住我们的脖子了。”

“尺寸越来越大，缺陷越来越少，质量越来越好”是陈小龙的梦想。

2017年，陈小龙带领团队在松山湖材料实验室开展碳化硅同质外延技术的研究，为碳化硅器件的制备提供外延片。他们发展了特色的外延技术，解决了外延片生长厚度和载流子均匀性的问题，并开始推动高质量外延片的产业化。

近年来，陈小龙再次“归零”，他带领团队致力于先进功能材料设计和新物性与新现象的探索。这又是一项“从0到1”、从无到有的工作。

“新颖的结构会带来新的物理性质，我们探索一些新型材料和结构，发掘新现象，深入理解结构和物理性质之间的关联。”陈小龙说。前路还有诸多未知，但这一次，他更有底气和信心。