陈小龙：从0到1 为国产碳化硅“开路”

　　直径8英寸、开路厚度0.4mm，国产硅像玻璃相同无色或透着些淡淡的碳化黄绿色，可不要小看这个扁扁的开路圆盘，这正是国产硅新能源轿车、光伏、碳化5G通讯、开路电动航空和大数据中心等急需的国产硅战略性半导体资料——碳化硅晶体。

　　作为第三代半导体资料，碳化碳化硅晶体具有耐高温、开路耐高压、国产硅高频特性好、碳化转化功率高、开路体积小和重量轻等长处。国产硅但是碳化，从籽晶制备、质料组成到晶体成长等一系列关键技能长时间被国外独占，成为限制我国相关工业展开的“卡脖子”难题。中国科学院物理研讨所（以下简称物理所）研讨员陈小龙带领团队历经20余年，从零开端，自主立异，成功霸占碳化硅晶体成长设备、碳化硅成长、缺点按捺、晶片加工等系列难题，完成了碳化硅单晶国产化，打破了国外技能封闭，为我国半导体工业展开注入微弱动力。

　　近来，记者跟从北京市科协、北京科技记协安排的“首都科技人”宣扬活动，走进中国科学院物理研讨所，近距离看望碳化硅晶体的研制开展状况。

陈小龙研讨员手持碳化硅单晶衬底。

　　从开“盲盒”到安稳成长。

　　晶体成长是在特定的物理和化学条件下由气相、液相或固相构成原子或分子在空间有序摆放的进程，晒盐和制糖便是日子中最常见的晶体成长技能。但工业上使用的晶体，要求纯度高、缺点少。在不同温度、环境下，晶体质量的成长会受到影响，稍有温度动摇或许条件改换，长出来的晶体就会缺点，不能满意工业需求。

　　碳化硅单晶的成长条件严苛，长晶温度高（约2200℃）、易相变、成长速率低、温度难以准确操控。20世纪90年代，只要美国等少量几个发达国家把握2英寸晶体成长技能，使用于先进雷达、航空航天等范畴，但对我国施行严厉的技能封闭。那时，碳化硅单晶研讨在国内归于“冷门”方向。

　　1999年，在其时物理所领导和试验室负责人的支持下，35岁的陈小龙挑起重担，担任晶体成长组的组长。

　　没有任何经历和技能细节可学习，陈小龙和团队只能从基本原理动身，系统研讨成长进程的基本规律，画图纸、规划和制作成长炉……“碳化硅晶体成长十分不安稳，现在已发现的碳化硅晶型有200多种，工业上使用最为广泛的是六方碳化硅，成长条件稍有误差，就会发生相变，想要成长出抱负的晶型好不容易，成长进程中晶锭还极易发生开裂或发生微管等缺点。”。

　　由于晶体成长进程不可视，陈小龙描述，每次看晶体就像开“盲盒”，只要翻开成长炉时才干一见真晓。试验初期，由于失败率较高，导致科研人员开炉都是战战兢兢，温度、压力等条件的纤细改变都会导致晶体形状和质量发生巨大差异。

　　“但咱们不敢停，也不能抛弃。”陈小龙说。

　　通过系统研讨碳化硅晶体成长的热力学和成长动力学基本规律，他们找到了晶体成长进程中相变、缺点等构成机制。通过机理提出-验证-机理批改-再验证的进程，在很多模型系统的协助下，2005年，陈小龙和团队获得了2英寸碳化硅成长的打破。

　　2006年，陈小龙在无经历可学习的状况下，首先展开了碳化硅单晶的工业化，创建了国内第一家碳化硅晶体工业化公司--北京天科合达半导体股份有限公司，通过产学研结合的办法，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，到达世界先进水平，为高性能碳化硅基器材的国产化奠定了坚实根底，满意更多工业使用需求。

　陈小龙研讨员在试验室。

　　做“顶天登时”的科研。

　　但是，尺度变大，并不是简略地扩展晶体直径，温场散布也会随之发生改变，然后带来一系列问题。正因如此，8英寸碳化硅晶体的成长一向存在难点。

　　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，其非必须精准操控温场散布、气相物质输运，还要战胜应力增大导致的晶体开裂等难题。

　　在已有的研讨根底上，2017年，陈小龙开端向8英寸碳化硅晶体建议攻关，以6英寸碳化硅为“种子”，深入研讨温场散布和高温气相输运特性，立异规划成长设备，成功处理了扩径成长中的多晶形核和质料输运功率问题。通过四年多的迭代优化，逐渐扩展碳化硅晶体的尺度，减小了晶体中的应力然后按捺了晶体开裂。2021年10月成功成长出了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地点宽禁带半导体范畴获得的又一个标志性开展，研制效果转化后，将有助于增强我国在碳化硅单晶衬底的世界竞争力，促进我国宽禁带半导体工业的快速展开。

　　“点评一项科研效果的质量和价值，我以为就两个规范：要么‘顶天’，要么‘登时’。”在陈小龙看来，最好的科研效果是既能走在世界前沿，又能处理国家严重需求，绝不能进退两难。

　　攻关8英寸碳化硅晶体成长难题的一起，他还将目光瞄准立方碳化硅范畴。立方碳化硅具有电子迁移率高级长处，还能够处理六方碳化硅因栅氧界面缺点多而导致的器材可靠性差等问题，但其晶体成长难度更大，国外研讨多年，一向没有打破。

　　陈小龙和团队另辟蹊径，使用液相法，提出了界面能调控的办法，在世界上初次成长出直径2-4英寸、厚度4-10mm、单一晶型的立方碳化硅单晶，现在尺度已达6英寸，填补了世界空白。一起他还带领团队成功成长出8英寸P型六方碳化硅晶体，完毕了没有P型导电碳化硅衬底的前史，为未来制备高电压功率器材奠定了根底。

　　“现在咱们不再被‘卡脖子’，现已走在了前列。”陈小龙期望，立方碳化硅晶体制备的高性能器材能赶快得到验证并落地使用，推进国内碳化硅工业迈向新的高度。（记者 蔡琳）。