点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:陈小龙:从0到1 为国产碳化硅“开路”
首页> 光明科普> 图文 > 正文

陈小龙:从0到1 为国产碳化硅“开路”

来源:光明网2025-02-14 09:17

  直径8英寸、厚度0.4mm,像玻璃一样无色或透着些淡淡的黄绿色,可不要小看这个扁扁的圆盘,这正是新能源汽车、光伏、5G通讯、电动航空和大数据中心等急需的战略性半导体材料——碳化硅晶体。

  作为第三代半导体材料,碳化硅晶体具有耐高温、耐高压、高频特性好、转化效率高、体积小和重量轻等优点。然而,从籽晶制备、原料合成到晶体生长等一系列关键技术长期被国外垄断,成为制约我国相关产业发展的“卡脖子”难题。中国科学院物理研究所(以下简称物理所)研究员陈小龙带领团队历经20余年,从零开始,自主创新,成功攻克碳化硅晶体生长设备、碳化硅生长、缺陷抑制、晶片加工等系列难题,实现了碳化硅单晶国产化,打破了国外技术封锁,为我国半导体产业发展注入强劲动力。

  近日,记者跟随北京市科协、北京科技记协组织的“首都科技人”宣传活动,走进中国科学院物理研究所,近距离探访碳化硅晶体的研发进展情况。

陈小龙:从0到1 为国产碳化硅“开路”

陈小龙研究员手持碳化硅单晶衬底

  从开“盲盒”到稳定生长

  晶体生长是在特定的物理和化学条件下由气相、液相或固相形成原子或分子在空间有序排列的过程,晒盐和制糖就是生活中最常见的晶体生长技术。但工业上应用的晶体,要求纯度高、缺陷少。在不同温度、环境下,晶体质量的生长会受到影响,稍有温度波动或者条件变换,长出来的晶体就会缺陷,不能满足工业需求。

  碳化硅单晶的生长条件苛刻,长晶温度高(约2200℃)、易相变、生长速率低、温度难以精确控制。20世纪90年代,只有美国等少数几个发达国家掌握2英寸晶体生长技术,应用于先进雷达、航空航天等领域,但对我国实施严格的技术封锁。那时,碳化硅单晶研究在国内属于“冷门”方向。

  1999年,在当时物理所领导和实验室负责人的支持下,35岁的陈小龙挑起重任,担任晶体生长组的组长。

  没有任何经验和技术细节可借鉴,陈小龙和团队只能从基本原理出发,系统研究生长过程的基本规律,画图纸、设计和制造生长炉……“碳化硅晶体生长非常不稳定,目前已发现的碳化硅晶型有200多种,工业上应用最为广泛的是六方碳化硅,生长条件稍有偏差,就会发生相变,想要生长出理想的晶型十分困难,生长过程中晶锭还极易发生开裂或产生微管等缺陷。”

  由于晶体生长过程不可视,陈小龙形容,每次看晶体就像开“盲盒”,只有打开生长炉时才能一见真晓。实验初期,因为失败率较高,导致科研人员开炉都是战战兢兢,温度、压力等条件的细微变化都会导致晶体形态和质量产生巨大差异。

  “但我们不敢停,也不能放弃。”陈小龙说。

  通过系统研究碳化硅晶体生长的热力学和生长动力学基本规律,他们找到了晶体生长过程中相变、缺陷等形成机制。经过机理提出-验证-机理修正-再验证的过程,在众多模型体系的帮助下,2005年,陈小龙和团队取得了2英寸碳化硅生长的突破。

  2006年,陈小龙在无经验可借鉴的情况下,率先开展了碳化硅单晶的产业化,创建了国内第一家碳化硅晶体产业化公司--北京天科合达半导体股份有限公司,通过产学研结合的方式,先后成功在2010年、2014年,研制出了4英寸和6英寸碳化硅单晶,达到国际先进水平,为高性能碳化硅基器件的国产化奠定了坚实基础,满足更多工业应用需求。

陈小龙:从0到1 为国产碳化硅“开路”

 陈小龙研究员在实验室

  做“顶天立地”的科研

  然而,尺寸变大,并不是简单地扩大晶体直径,温场分布也会随之发生变化,从而带来一系列问题。正因如此,8英寸碳化硅晶体的生长一直存在难点。

  陈小龙介绍,要得到8英寸碳化硅晶体首先要研制出8英寸籽晶,就像植物的种子,其次要精准控制温场分布、气相物质输运,还要克服应力增大导致的晶体开裂等难题。

  在已有的研究基础上,2017年,陈小龙开始向8英寸碳化硅晶体发起攻关,以6英寸碳化硅为“种子”,深入研究温场分布和高温气相输运特性,创新设计生长装置,成功解决了扩径生长中的多晶形核和原料输运效率问题。经过四年多的迭代优化,逐步扩大碳化硅晶体的尺寸,减小了晶体中的应力从而抑制了晶体开裂。2021年10月成功生长出了8英寸碳化硅晶体。

  8英寸碳化硅导电单晶研制成功是物理所在宽禁带半导体领域取得的又一个标志性进展,研发成果转化后,将有助于增强我国在碳化硅单晶衬底的国际竞争力,促进我国宽禁带半导体产业的快速发展。

  “评价一项科研成果的质量和价值,我认为就两个标准:要么‘顶天’,要么‘立地’。”在陈小龙看来,最好的科研成果是既能走在国际前沿,又能解决国家重大需求,绝不能不上不下。

  攻关8英寸碳化硅晶体生长难题的同时,他还将目光瞄准立方碳化硅领域。立方碳化硅具有电子迁移率高等优点,还可以解决六方碳化硅因栅氧界面缺陷多而导致的器件可靠性差等问题,但其晶体生长难度更大,国外研究多年,一直没有突破。

  陈小龙和团队另辟蹊径,利用液相法,提出了界面能调控的方法,在国际上首次生长出直径2-4英寸、厚度4-10mm、单一晶型的立方碳化硅单晶,目前尺寸已达6英寸,填补了国际空白。同时他还带领团队成功生长出8英寸P型六方碳化硅晶体,结束了没有P型导电碳化硅衬底的历史,为未来制备高电压功率器件奠定了基础。

  “现在我们不再被‘卡脖子’,已经走在了前列。”陈小龙希望,立方碳化硅晶体制备的高性能器件能尽快得到验证并落地应用,推动国内碳化硅产业迈向新的高度。(记者 蔡琳)

[ 责编:张梦凡 ]
阅读剩余全文()

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 【我把节气唱给你听】立冬:深藏,是为了更好地出发

  • 习近平会见奥地利总理施托克尔

独家策划

推荐阅读
11月,在山东建筑大学,虽已回到校园,但建筑电气与智能化专业学生王凡的思绪却总回到千里之外的青海金银滩草原。今年夏天,他作为山东赴海北暑期交流实习队伍的一员,在青海海北藏族自治州海晏县应急管理局实习了两个月。
2026-11-06 09:49
11月5日,“雪龙2”号极地科考破冰船在海南三亚南山港科考码头进行停靠补给并举行公众开放日活动。图为“雪龙2”号极地科考破冰船。
2026-11-06 09:48
恒星的亮度并非恒定不变,有的会突然变亮,有的会骤然变暗,变化快的,几分钟内便完成一轮明暗变化。臧伟呈表示,这项巡天的初始科学目标,是用微引力透镜方法搜寻地球到火星质量级别的流浪行星。
2026-11-06 09:47
作者:庄伟光、吴源(分别系广东省政府文史研究馆馆员、省社科院研究员,广东省习近平新时代中国特色社会主义思想研究中心特约研究员;农文旅融合,不是农业做背景、文化贴标签、旅游凑项目的简单叠加,而是生产要素的创造性重组。
2026-11-06 09:45
河北邯郸曲周县,昔日“春天白茫茫,夏天水汪汪”的盐碱荒滩,经一代代耕耘者科技赋能、接续改良,已从亩产“一背篓”迈向“绿色吨半粮”的高产田。丰收之外,耕耘者持续探索生态友好耕作模式,改良土壤、养护地力,跳出单一追求高产的思维模式,稳步迈向可持续稳产增收之路。
2026-11-06 09:44
一组膜材料样品刚完成溶剂耐受性测试,教师第一党支部书记李卫星招呼大家把椅子一拢,在实验台旁围坐一圈,开始学习党的二十届五中全会精神。譬如,分离膜是芯片、生物医药领域的关键材料,下一步,我们要抓紧攻关,把国产替代做出来……”  “攻克‘卡脖子’难题,离不开良好的科研风气。
2026-11-06 09:42
此次研究旨在将结构知识融入大规模序列学习,同时保持模型在不同结构与功能任务中的适应性和泛化能力。中国科大生物医学工程学院博士朱河勤为论文第一作者,该校教授周少华和特任研究员熊鹏为该文章共同通讯作者。
2026-11-05 09:18
创新是一个民族进步的灵魂,是一个国家兴旺发达的不竭动力。习近平总书记指出,“着眼发展新质生产力,强化科技创新和产业创新深度融合,建设具有国际竞争力的现代化产业体系”。
2026-11-05 04:25
每年这个时节,乌镇处处都会涌动着创新的生机与活力——由于世界互联网大会乌镇峰会的约定,各方宾客带来最前沿的技术、最先进的成果、最领先的思想,让这里成为世界观察中国数字发展、中国参与全球数字治理的窗口。
2026-11-05 04:25
和前些年一样,有人买家具,有人囤化妆品,但今年有些不同的是,有直播间的评论区里刷出“3、2、1,上Token”,AI软件的会员月卡成了直播间里的抢手货。随着AI覆盖面的扩大,Token消耗量越来越大,不少AI软件已经出现了免费的大模型需要排队的情况,如果没有付费,等待时间就要变长。
2026-11-05 09:17
人类社会到底需不需要通用人工智能(AGI)?这个问题不能只从技术能力的层面回答。人类社会发展从来不是单纯追求“能力越大越好”,而是追求一种能被人类理解、被人类约束、出了错还能纠正的能力。
2026-11-05 04:25
西北戈壁滩上,多方向、多批次自杀式无人机集群低空掠过,高速冲向目标。“我们聚焦制约激光反无装备性能的关键技术,持续多年开展攻关,先后破解光纤拉制、散热控温、精准打击等难题。
2026-11-04 09:55
1.75万辆北斗高精度共享电单车服务超600万人次,“5G+北斗”低空空域监视通信专网填补空白……近期,第五届北斗规模应用国际峰会在湖南株洲举行,一项项北斗应用惊艳亮相。聚力卫星研制、终端制造、场景示范、国际合作,“北斗之城”将迸发出更大能量,成为中部崛起的强劲力量。
2026-11-04 09:49
今年8月,在2026世界机器人大会举办期间,全国首个具身机器人演出“沙盒审批”试点在北京亦庄落地,首形科技(北京)有限公司、北京中科慧灵具身智能科技有限公司、阿卡帕尼(北京)机器人有限公司三家企业获颁《具身机器人演出“沙盒审批”准入证明》。北京经开区已率先落地全国首个数字人营业性演出沙盒试点,如今演出“沙盒审批”已从虚拟数字人延伸至实体机器人。
2026-11-04 09:48
今年“双十一”电商大促,Token(词元)以独立品类在多个电商平台上架,看不见、摸不着的算力服务,变成可以下单的商品。青海西宁市民苏国庆是一名短视频爱好者,为了让视频呈现更好的效果,趁着电商大促,他“囤”了不少Token。
2026-11-04 09:45
“十五五”规划纲要提出,面向生物育种、生产管理、疫病防治等场景加快农业数智化升级。站在“十五五”开局之年,我国数智技术加速赋能千行百业,成为驱动经济发展的创新动力。
2026-11-04 04:20
11月3日8时15分,力箭二号遥二运载火箭在东风商业航天创新试验区发射升空,将搭载的千帆极轨21组卫星顺利送入预定轨道,飞行试验任务取得圆满成功。
2026-11-03 09:33
2026年5月,国务院印发《加快农业农村现代化“十五五”规划》,对“健全现代农业经营服务体系”进行部署,强调“将先进适用品种、技术、装备引入小农户”“促进小农户和现代农业发展有机衔接”。
2026-11-03 03:55
近日,中共中央、国务院印发《关于发展新质生产力的意见》,对“改造提升传统产业”作出系统部署,并将其作为推动科技创新和产业创新深度融合的重要任务之一。
2026-11-03 03:55
1983年2月,“两弹一星”元勋钱学森给中国科学院院士李正武写了一封信。信件仅200余字,没有客套寒暄,却映照出两位“患难之交”的深厚情谊和默契。
2026-11-03 03:55
加载更多