作為我國在先進材料領域深耕多年的科技工作者，中國科學院物理研究所先進材料與結構分析實驗室研究員陳小龍帶領團隊歷經20余年，成功攻克了晶體擴徑這一公認的技術難題，保障了高質量2至8英寸碳化硅晶體的穩定生長，解決了相變抑制、微管缺陷抑制等問題。與此同時，他在國內最早開展成果轉化，創建了國內第一家碳化硅晶體產業化公司，實現了我國碳化硅晶體生長和加工技術從0到1，產品從無到有、從有到優；突破了國外對我國碳化硅晶體生長和加工技術的長期封鎖，帶動了我國碳化硅材料、器件和模塊產業鏈的快速發展，是推動科技創新與產業創新融合發展的先行者和實踐者。
▲2024年11月7日，陳小龍參加第五屆亞太碳化硅及相關材料國際會議
碳化硅晶體的從無到有
新能源汽車、智能電網、光伏風電、5G通信、大數據中心……不論是國家發展的重要領域，還是人們身邊形影不離的電子產品，都離不開碳化硅晶體的助力，它也是材料領域發展最快、國際競爭最激烈的方向之一。但在20多年前，我們卻“望其興嘆”，即使是一個僅有5毫米×5毫米的碳化硅晶體小片，我國也無法獨立自主地制造出來。可喜的是，在艱辛的科研歷程中，中國科學院物理研究所先進材料與結構分析實驗室陳小龍研究員帶領團隊打破了技術封鎖，實現了我國自主創新的碳化硅晶片產品從無到有的重要突破，然而回望這一歷程，卻充滿了荊棘與挑戰。“初接觸這一領域時，盡管明確碳化硅單晶生長的標準方法是物理氣相傳輸法，了解了其大致原理，但對于其中的基本規律和細節卻知之甚少，需要一點一點逐步探索，從基礎研究開始，逐漸探知碳化硅晶體領域的全貌。”陳小龍在接受“首都科技人”宣傳活動的采訪中回憶道。或有人知曉，晶體的生長需要籽晶，其就像一顆種子，是未來獲得優質碳化硅晶體的基礎。然而，在1997年時，即使是一顆微小的“種子”，也是科研人員心心念念的珍寶。經過三年的潛心研究，陳小龍帶領團隊實現了“零的突破”，收獲了不足1立方厘米的碳化硅單晶。盡管體積微小，但對于碳化硅晶體領域的研究而言，卻前進了一大步。陳小龍談道：“雖然當時得到的碳化硅晶體因尺寸太小并無工業應用價值，但它的出現讓我們對此前的研究充滿了信心。通過一系列研究，加深了我們對物理氣相傳輸法細節的了解，明確了固體需要在2000℃-2300℃的高溫下升華為氣相，然后再運輸到冷端，繼而在籽晶上緩緩結晶的過程中所涉及的細節。同時，逐漸深化在這一過程中涉及的熱力學、生長動力學等一系列相關研究。”
晶體生長的探索之路
盡管基礎理論研究已明確，但在實際的碳化硅晶體制備過程中，依然面臨諸多考驗。首先，碳化硅晶體在性質上比較特別，如同一位“百變星君”，具有200多種晶型，且在生長過程中，很容易在高溫下發生相變，即從一種晶型轉變為另一種晶型。若工業中所需的晶型為4H-SiC，但在實際生長中變為6H-SiC，便無法順利交付。其次，碳化硅晶體是一位“慢性子”，其生長速度比較緩慢，常常需要生長120-150小時左右，約有一個星期之久。此外，在從固體升華為氣相的過程中，碳與硅原本1:1的固體成分比例出現了變化，硅的比例會有所增加，而這種成分比例的變化，很容易使晶體出現缺陷。面對眾多難題的考驗，陳小龍帶領團隊攻堅克難，夜以繼日地進行科研攻關，經過機理提出-驗證-機理修正-再驗證的過程，將難題逐一擊破。“2005年，我們迎來了碳化硅晶體研究的第一個里程碑，實現了兩英寸碳化硅晶體的制備。看到其具有一定的工業應用價值，我和團隊成員們都為此感到振奮，這也是對我們此前科研工作的重要肯定。”陳小龍談道。
補齊成果轉化的設備“缺位”
為更好地滿足工業生產需要，陳小龍帶領團隊開展成果轉化，2006年便創建了國內第一家碳化硅晶體產業化公司——北京天科合達半導體股份有限公司（簡稱“天科合達”），專注于開發碳化硅晶體生長爐和碳化硅晶體生長、加工技術，建立了完整的碳化硅晶片生產線。彼時，碳化硅晶體材料在國內外的熱度較低，其應用領域的發展也遠不如今日廣闊，因而其相關設備及所需輔助用品均少有專門的企業涉及。因此，在天科合達初創時，大到晶體生長設備，高純碳化硅粉體, 晶體研磨液、拋光液，小到籽晶粘膠裝置，都需要團隊自主研發。早期，面對并無專門設備的情況，團隊依靠一臺能夠勉強達到高溫要求的晶體退火爐進行碳化硅晶體制備。在這臺原本作為石墨加熱爐的基礎上，通過不斷研究，進行了一系列重大改進，制作出國內第一臺線圈內置式感應生長爐。“如今還常能回憶起來，當時和研究所里的老先生們一起并肩作戰的日子。那段時間，大家群策群力，在有限的條件下實現了碳化硅晶體的制備，十分不易。”陳小龍談道。盡管能夠實現制備，但“術業有專攻”，這一設備作為原本的石墨加熱爐，在碳化硅晶體制備上存在溫場無法調控、真空度弱的缺陷。因此，陳小龍帶領團隊依據此前改進設備的經驗，結合進一步研究成果，設計出專用于碳化硅晶體制備的專用設備，滿足了溫場調控與壓力調節的需求，盡管當時只能產出約三英寸左右的晶體，但在應用中卻以事實驗證了設備的實用性。雖然取得了階段性成果，但陳小龍從未停步，而是不斷地進行設備優化。為了更好地控制爐溫上下部的溫度差，實現晶體制備期間溫度和壓力變化的動態調控，團隊在第一代設備的基礎上進行了改良，從而減小了生長室內部溫度和壓力的大幅波動，保障了生長的穩定性。隨后的數年間，優化與改良已成為團隊助力設備日臻完美的“進階之路”。為進一步確保碳化硅晶體制備的穩定性，團隊自主研發并應用了電場-磁場-熱場高效耦合的單晶生長裝備，實現了溫場和壓力的精確調控，有效抑制了晶體邊緣形核，避免了碳化硅晶體生長中易出現的一系列問題。
突破晶體擴徑的國際公認難題
在保障碳化硅晶體順利生產的基礎上，為了進一步提高晶體質量、良率，降低成本，需要進行晶體擴徑，即通過不斷迭代和優化生長條件，實現晶體高效擴徑生長，使其直徑進一步擴大。然而，碳化硅晶體擴徑存在一定難度。當晶體直徑變大后，溫場分布便會發生改變，溫度的均勻性變得更難控制，晶體的生長難度呈幾何級增長，多種缺陷也會紛至沓來。對于晶體擴徑難題，陳小龍至今依然對曾經的經歷記憶猶新，他回憶說：“當時，我們剛剛實現6英寸碳化硅晶體的制備，但在實際生產中，卻出現了‘隨機’開裂的現象，讓大家不僅感到十分可惜，而且百思不得其解。一時間未能摸清其中規律，開爐時甚至會戰戰兢兢，感到很傷腦筋。面對此種情況，我鼓勵大家‘痛定思痛’，多思考多研究。后來，團隊里一位很有想法的成員靈感迸發，突然提出對于應力消除的解決方案有沒有可能是反直覺的，繼而大家順著這一思路進行探索，果然避免了開裂的問題。這也提示我在研究中不要進入慣性思維怪圈，遇到難關時反而要跳出圈子，以新角度、新方向進行思考。”通過多年的研究，陳小龍攻克了晶體擴徑這一公認的難題。如今，已經能夠保障穩定生長出高質量的2至8英寸碳化硅晶體，進一步推動碳化硅在各產業領域的應用。
助碳化硅晶體在重要領域大顯身手
作為新能源汽車、光伏和5G通訊等戰略性半導體材料，碳化硅晶體在推動綠色、低碳、高效新型產業發展的重要性可見一斑。以新能源汽車為例，2024年，我國新能源汽車市場保持高歌猛進的態勢，年度產銷均首次突破1000萬輛大關。但曾幾何時，對于新能源汽車續航里程的焦慮讓不少選車者望而卻步。幸運的是，碳化硅材料的應用有效緩解了這一問題。相比硅基器件，碳化硅器件擁有更卓越的物理性能，其體積更小、重量更輕，節能轉化效率更高，能夠使新能源汽車的電驅系統更加高效，進而提升車輛的加速性能和續航能力。同時，其在相同功率下所需的材料更少，有助于提升車輛的燃油經濟性……不難發現，碳化硅器件的應用在新能源汽車的優勢擴大化之路上發揮了顯著作用。面對新能源汽車行業與碳化硅晶體領域的發展現狀，陳小龍也表達了自身期盼：“目前碳化硅器件主要應用于20萬以上的新能源汽車，希望能通過持續研究，進一步增加碳化硅晶體良率與質量，從而降低成本，讓更多新能源汽車的購買者享受到碳化硅器件之益。同時，也希望我們自主創新獲得的立方碳化硅晶體能夠早日在高端MOS器件上應用，為有效推動我國半導體關鍵材料和器件的高質量發展，提升我國產品的競爭力，加快培育新質生產力，作出新的更大貢獻。”
來源：北京科技報
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