陈小龙：从0到1 为国产碳化硅“开路”

　　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）