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 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 习近平出席2025年上合峰会国际贵宾欢迎宴会

  • 习近平主持“上海合作组织+”会议并发表重要讲话

独家策划

推荐阅读
记者近日从国家发展改革委获悉,围绕《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》(以下简称《意见》),相关部门将制定出台一系列配套文件。具体来看,一方面将围绕《意见》提出的6大行动若干重点行业领域,分别制定“人工智能+”具体实施方案,进一步细化各行业目标任务、重点方向和工作举措。
2025-09-01 09:56
8月26日,国务院印发《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》。大力发展智能农机、农业无人机、农业机器人等智能装备,提高农业生产和加工工具的智能感知、决策、控制、作业等能力,强化农机农具平台化、智能化管理。
2025-09-01 09:55
生产车间里,抽气泵凹槽上蒸汽弥漫,极细的金属导体经过氯化液处理,三次涂漆后,再附上绝缘漆膜,最终制成直径仅0.012毫米的成品电磁线。 银西产业园甘肃康视达隐形眼镜有限公司的厂房内,智能化生产线高效运转,无人搬运车有序穿梭,整个流程高度自动化。
2025-09-01 09:53
江南大学是一所以轻工特色见长的“双一流”建设高校,发酵工程学科凭借深厚的学科积淀和前瞻性布局,成功跻身国家“A+”学科行列。学校与发酵行业龙头企业共建16个联合研究中心,聘请16名教授级高工和国家级科创人才担任工程技术导师,推动研究生深入产业一线。
2025-09-01 09:52
在山东省大学生创新大赛(2025)暨中国国际大学生创新大赛(2025)山东赛区比赛中,哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院参赛队共荣获10项金奖、1项银奖。 山东省特种焊接技术重点实验室是山东省焊接领域唯一的重点实验室,突出在特种环境、特种材料以及特种结构方面的焊接技术及装备制造研究。
2025-09-01 09:51
当前,全球科技革命与产业变革加速演进,人工智能(AI)正从“辅助工具”跃升为驱动社会变革的核心引擎。
2025-08-29 09:40
中国科幻完成了从文学、影视到互动娱乐的全产业链突破,步入业态融合与创新驱动的关键阶段。科幻阅读作为科幻产业链上游的基础产业,需率先探索高质量发展路径。
2025-08-29 09:38
作为太阳系中目前已知唯一拥有生命的天体,地球宜居性的形成与演化是地球系统科学研究的核心议题。
2025-08-29 09:35
国家气候中心统计数据显示,截至8月28日,华北雨季已持续55天,较常年雨季长度(30天)明显偏长。截至8月25日,华北雨季监测区累计雨量较雨季常年值偏多131%。
2025-08-29 09:18
8月29日是七夕节,在古代神话中,牛郎和织女因为被天上的银河隔开,只有在每年农历的七月初七才能通过鹊桥相会。那么,银河到底有多宽?
2025-08-29 09:17
浙江大学物理学院王浩华团队、杭州国际科创中心郭秋江超导量子计算团队联合清华大学邓东灵团队,在百比特超导量子芯片上观测到,“预热化”机制能有效抵御热激发扰动,使有限温度下的拓扑边缘态展现出了足够的稳定性,为保护脆弱的量子信息提供了新可能。
2025-08-28 09:47
6G时代,无论在城市楼群还是偏远山区,都需要数据的高速传输和快速接入,但基于纯电子技术的传统无线设备带宽受限、频段单一,难以动态调度频谱资源。
2025-08-28 09:47
8月26日,《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》发布。为何要出台这份文件?这份文件重点说了些什么?记者采访了国家发展改革委参与文件起草的专家。
2025-08-28 09:45
从“人工智能+”发展进展来看,朱克力认为,在政策层面,形成了举国体制,算力基础设施、数据供给、人才体系等基础支撑全面强化。
2025-08-28 09:37
工业和信息化部近日印发《关于优化业务准入促进卫星通信产业发展的指导意见》。意见明确,鼓励卫星通信在工业、农业、交通、能源、城市治理等各行业各领域创新应用。
2025-08-28 09:35
8月26日,国新办举行“高质量完成‘十四五’规划”系列主题新闻发布会,介绍“十四五”时期能源高质量发展成就。
2025-08-27 09:36
王蜜所在团队养蜗牛的装置和她用指甲油给蜗牛壳做的标记(首次发表,非授权禁止转载)。在中科院地球环境所,针对蜗牛壳体季节尺度研究,副所长晏宏提出的理念是,用空间换时间。
2025-08-27 09:47
8月8日至12日,第十届世界机器人大会在北京举行。”  近年来,更多养老机器人在家中、社区及养老机构落地应用,从桌面式机器人、轮式底盘型机器人到人形机器人,“人机共栖”的智慧养老图景正加速照进现实。
2025-08-27 09:45
作为海洋生物医药研发的特色方向,海洋中药尚不能满足中医药产业发展需求,其开发和利用还处于起步阶段。在产业转化环节,郑明月指出,应借鉴“算法开发—标靶确证—临床转化”范式,构建海洋天然产物专属数据库和AI工具。
2025-08-27 09:45
一项近日发表于《应用生理学、营养学与代谢》的研究发现,摄入动物蛋白质食物与更高的死亡风险无关,甚至可能降低与癌症相关的死亡率。论文第一兼通讯作者、加拿大营养策略公司负责人Yanni Papanikolaou表示,“综合这类观察数据与临床研究,很明显,动物蛋白和植物蛋白均有益于健康长寿。
2025-08-27 09:43
加载更多