原標題：20余年堅守創新 他為國產碳化矽「開路」
中國科學報記者 韓揚眉 實習生 蒲雅傑
「要麽做真正原創性的基礎研究，要麽做意義重大、促進產業發展的研究，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堅守的信念。
陳小龍長期從事第三代半導體材料碳化矽晶體制備的基礎和套用基礎研究。20多年來，他帶領團隊從零開始自主創新，搶占科技制高點，打破國外封鎖，實作碳化矽單晶國產化。
2023年底，陳小龍帶領團隊另辟蹊徑，實作了晶圓級立方碳化矽單晶生長的新突破。該晶體區別於目前套用廣泛的六方碳化矽（4H-SiC），有望制備出更高效能的碳化矽基晶體管。這是國際首次獲得可量產、可商業化的晶圓級立方碳化矽單晶生長技術。近期，陳小龍獲評2023年中國科學院年度創新人物。
「另辟蹊徑」獲取新突破
作為第三代半導體材料，碳化矽晶體是新能源汽車、光伏和5G通訊等行業急需的戰略性半導體材料，是材料領域發展最快、國際競爭最激烈的方向之一。
目前已發現的碳化矽類別有200多種，其中商業化套用最為廣泛的碳化矽晶型之一是六方碳化矽。然而，高質素碳化矽單晶生長極其困難，不僅要滿足2300攝氏度以上的高溫制備條件，其在生長過程中還喜歡「七十二變」，極不穩定，因此，只有少數國家掌握了碳化矽晶體生長技術細節。
陳小龍（前）和團隊在做實驗。物理所供圖
六方碳化矽雖然是商業化套用最成熟的，但仍存在因柵氧界面缺陷多而導致的器件可靠性差等問題。與六方碳化矽相比，立方碳化矽的載流子遷移率、熱傳導效能、機械效能都更勝一籌，更有助於制造高效能、高可靠性、長壽命的晶體管器件。
然而，立方碳化矽的晶體生長挑戰更大。歐洲7個國家的14個團隊聯合開展了名為「挑戰者計劃」的專案，旨在攻克立方碳化矽的晶體、外延和器件制備難題。然而，因無法避免晶體生長環節的相變和開裂，他們至今沒有完全成功，目前生長出的晶體厚度僅一兩毫米，成本高且難以產業化。
陳小龍深知，立方碳化矽晶體生長難點在於其生長過程中很容易發生相變、不穩定，不能獲得大尺寸單一晶型的晶體，因此必須探索新的生長方法。2017年，他決定開辟新賽道，探索液相碳化矽晶體生長新方法。
「陳老師始終強調基礎研究的重要性，回歸最根本才能有所創新、才能實作原始創新。對於碳化矽晶體制備，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4年，陳小龍團隊在已往研究基礎上，創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律，利用高溫液相法抑制了生長過程中的相變，生長出了直徑2到4英寸、厚度4到10毫米的單一晶型立方碳化矽單晶。這是國際上首次制備出晶圓級、高質素的大塊立方碳化矽晶體。
「襯底是下遊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】，立方碳化矽的外延和器件制備與目前主流六方碳化矽采用的工藝和器材能夠相容，他們將進一步提高晶體生長穩定性和可靠性，向更大尺寸和厚度的制備方向發展，為規模化生產奠定基礎。
「如果在傳統六方碳化矽方面我們還在追趕，那麽在新一代立方體碳化矽方面，我們已經走在了世界前列。」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，離不開他在這一領域數十年的深耕和堅守。從無到有、從跟跑到並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，碳化矽單晶研究是「冷門」方向，而當時美國半導體行業發展迅速，碳化矽開始商業化，美國科學家成功研發碳化矽襯底LED技術更是引發廣泛關註。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，當大洋彼岸傳來這一訊息時，他深深意識到，寬禁帶半導體行業未來的發展不可估量。
「我認為它很有潛力，如果做出來，對中國一定非常有用。」陳小龍回憶。
事實上，人們早就認識到碳化矽是一種效能優異的半導體材料，但怎麽把它生長出來是難題，這也是碳化矽前期被「冷落」多年的原因。當時，只有美國等少數國家掌握2英寸晶體生長技術，並對中國實施全面技術封鎖。陳小龍想試一試，把這個科學問題解決掉。
1999年，在當時研究所領導和實驗室負責人的支持下，35歲的陳小龍正式「改行」並擔任晶體生長組的組長。在事業上升期「從零開始」做研究，非常需要勇氣。
氣相法晶體生長擴徑是世界公認的難題，也是幾十年中碳化矽僅穩定在8英寸的原因之一。由於沒有任何生長方法的經驗可借鑒，陳小龍等人只能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，設計並制備出滿足要求的晶體生長爐，透過大量實驗掌握原料的昇華、輸運，生長的熱力學和動力學基本過程，以及缺陷的形成機理、防止自發生核進行擴徑的方法等關鍵科學技術。
經過7年努力，他們將晶體從早期不足10毫米的生長尺寸擴大到2英寸，有了全自主的器材制造和晶體生長完整技術路線，實作了從無到有的重大突破。
陳小龍沒有停下腳步，他帶領團隊逐步實作了高質素的2至8英寸碳化矽晶體的穩定生長，並實作產業套用。此外，他們還發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。
陳小龍很少提及「坐冷板凳」的那段歷程，當被問及最難的時候是否想過放棄，他淡淡地回道，「不能放棄，國家已經投入了很多，要有一個交代。」
外國已經「卡」不住我們了
基礎研究的突破為產業發展帶來了強勁的動力和支持。
2006年，陳小龍在無經驗可借鑒的情況下，與有關方面合作創辦了國內第一家碳化矽晶體產業化企業——北京天科合達半導體股份有限公司（以下簡稱天科合達），建立了完整的碳化矽晶片生產線。
他們歷經10年蟄伏，直到2016年前後一朝綻放。隨著新能源汽車的發展、國家「雙碳」目標的提出，碳化矽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批次供片，在導電型碳化矽襯底供應商中市場排名國內第一、國際第四。
碳化矽晶體的國產化，滿足了國家重大需求，帶動了20余家國內企業進入下遊器件、封裝和模組產業，促使國內形成了完整的碳化矽半導體產業鏈，帶動了中國寬禁帶半導體產業的發展，促進中國新能源汽車和光伏等產業進入世界前列。
「目前，晶體、襯底基本可以滿足國產需求，無論從質素還是產量上都實作了自主可控。」陳小龍欣慰地說，「經過多年的努力，外國已經‘卡’不住我們的脖子了。」
「尺寸越來越大，缺陷越來越少，質素越來越好」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開展碳化矽同質外延技術的研究，為碳化矽器件的制備提供外延片。他們發展了特色的外延技術，解決了外延片生長厚度和載流子均勻性的問題，並開始推動高質素外延片的產業化。
近年來，陳小龍再次「歸零」，他帶領團隊致力於先進功能材料設計和新物性與新現象的探索。這又是一項「從0到1」、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，發掘新現象，深入理解結構和物理性質之間的關聯。」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：中國科學報
