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陳小龍：20余年堅(jiān)守創(chuàng)新 “開(kāi)路”國(guó)產(chǎn)碳化硅
原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2024/2/517179.shtm
“要么做真正原創(chuàng)性的基礎(chǔ)研究，要么做意義重大、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的研究，不能做一些兩不靠的工作，這些意義不大，我們的理想是兩者兼顧。”這是中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員陳小龍一直以來(lái)所堅(jiān)守的信念。
陳小龍長(zhǎng)期從事第三代半導(dǎo)體材料碳化硅晶體制備的基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，20多年來(lái)，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從零開(kāi)始自主創(chuàng)新，搶占科技制高點(diǎn)，打破國(guó)外封鎖，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。
2023年底，陳小龍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)立方碳化硅單晶生長(zhǎng)的新突破，它區(qū)別于目前應(yīng)用廣泛的六方碳化硅（4H-SiC），有望制備出具有更高性能的碳化硅基晶體管，這是國(guó)際首次獲得可量產(chǎn)、可商業(yè)化的晶圓級(jí)立方碳化硅單晶生長(zhǎng)技術(shù)。
今年年初，陳小龍當(dāng)選2023年中國(guó)科學(xué)院年度創(chuàng)新人物。
“另辟蹊徑”獲取新突破
作為第三代半導(dǎo)體材料，碳化硅晶體是新能源汽車(chē)、光伏和5G通訊等急需的戰(zhàn)略性半導(dǎo)體材料，是材料領(lǐng)域發(fā)展最快、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)最激烈的方向之一。
目前已發(fā)現(xiàn)碳化硅類型多達(dá)200多種，商業(yè)化應(yīng)用最為廣泛的碳化硅晶型之一是六方碳化硅。高質(zhì)量碳化硅單晶的生長(zhǎng)極其困難，不僅要滿足2300攝氏度以上的高溫，在生長(zhǎng)過(guò)程中還喜歡“七十二變”，極不穩(wěn)定，因此，只有少數(shù)掌握國(guó)家掌握了碳化硅晶體生長(zhǎng)技術(shù)細(xì)節(jié)。
六方碳化硅雖在商業(yè)上最成熟，但仍存在因柵氧界面缺陷多而導(dǎo)致器件可靠性差等問(wèn)題，科學(xué)家們?cè)噲D開(kāi)發(fā)新一代立方碳化硅。
與六方碳化硅相比，立方碳化硅的載流子遷移率、熱傳導(dǎo)性能、機(jī)械性能都更勝一籌，更有助于制造高性能、高可靠、長(zhǎng)壽命的晶體管器件。
然而，立方碳化硅的晶體生長(zhǎng)的挑戰(zhàn)更大，歐洲的7個(gè)國(guó)家共14個(gè)團(tuán)隊(duì)組織起來(lái)開(kāi)展了名為“挑戰(zhàn)者計(jì)劃”的項(xiàng)目，就是為了把立方碳化硅的晶體、外延、器件做出來(lái)，然而，他們至今沒(méi)有完全成功，因無(wú)法克服晶體生長(zhǎng)環(huán)節(jié)的相變和開(kāi)裂，目前生長(zhǎng)出的晶體厚度僅1mm-2mm，成本高，難以產(chǎn)業(yè)化。
陳小龍介紹，立方碳化硅的晶體生長(zhǎng)的難度就在于，在生長(zhǎng)過(guò)程中很容易發(fā)生相變，不穩(wěn)定，不能獲得大尺寸單一晶型的晶體，必須要探索新的生長(zhǎng)方法。
2017年，陳小龍決定開(kāi)辟“新賽道”，探索液相碳化硅晶體生長(zhǎng)新方法。
“陳老師始終強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)研究的重要性，回歸最根本才是能實(shí)現(xiàn)原始創(chuàng)新有所創(chuàng)新，對(duì)于碳化硅晶體其生長(zhǎng)方法和原理就是本源。”陳小龍團(tuán)隊(duì)成員、中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員郭建剛告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
歷時(shí)四年，陳小龍團(tuán)隊(duì)在過(guò)往的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出了調(diào)控固—液界面能，在異質(zhì)籽晶上較同質(zhì)籽晶優(yōu)先形核和生長(zhǎng)的學(xué)術(shù)思想。
他們以該思想為指導(dǎo)，在高溫下測(cè)出了熔體和不同晶型立方體晶體的界面能變化規(guī)律，利用高溫液相法，最終抑制了生長(zhǎng)過(guò)程中的相變，生長(zhǎng)出了直徑2-4英寸、厚度4-10 mm、單一晶型的立方碳化硅單晶，這種晶圓級(jí)、高質(zhì)量的大塊立方碳化硅晶體在國(guó)際上是首次。
“襯底是下游半導(dǎo)體芯片制作中最關(guān)鍵的原料之一。”陳小龍告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，立方碳化硅的外延和器件制備與目前主流六方碳化硅的工藝和設(shè)備都能兼容。我們將進(jìn)一步提高晶體生長(zhǎng)穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)向更大的尺寸和厚度發(fā)展，為規(guī)模生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
?“如果說(shuō)我們還在追趕傳統(tǒng)的六方碳化硅，那么在新一代立方體碳化硅方面，我們已經(jīng)走在了世界前列。”陳小龍自豪地說(shuō)。
35歲“從零開(kāi)始”
陳小龍能夠做出了別人沒(méi)有做出的材料，離不開(kāi)他在這一領(lǐng)域數(shù)十年的深耕和堅(jiān)守。
陳小龍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究，從生長(zhǎng)設(shè)備到高質(zhì)量碳化硅單晶生長(zhǎng)和加工等關(guān)鍵技術(shù)都取得突破，突破了國(guó)外對(duì)我國(guó)的長(zhǎng)期封鎖，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的完整技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了碳化硅單晶國(guó)產(chǎn)化。
從無(wú)到有，從跟跑到并跑，甚至開(kāi)始領(lǐng)跑的過(guò)程，需要魄力和耐心。
上世紀(jì)90年代，在中國(guó)，碳化硅單晶研究還是少有人關(guān)注的“冷門(mén)”方向。
當(dāng)時(shí)，美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)快速發(fā)展，碳化硅開(kāi)始商業(yè)化，尤其在上世紀(jì)九十年代初，美國(guó)科學(xué)家成功研發(fā)碳化硅襯底LED技術(shù)，引發(fā)廣泛關(guān)注。
那時(shí)，30多歲的陳小龍?jiān)诮Y(jié)構(gòu)分析和物相關(guān)系研究領(lǐng)域已頗有成就，當(dāng)大洋彼岸傳來(lái)信息時(shí)，在他深深意識(shí)到，寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)未來(lái)的發(fā)展不可估量。
“我認(rèn)為它很有潛力，如果做出來(lái)，未來(lái)對(duì)中國(guó)一定非常有用。” 1999年，在當(dāng)時(shí)所領(lǐng)導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人的支持下，陳小龍正式“改行”并成為晶體生長(zhǎng)組的組長(zhǎng)。彼時(shí)，研究組主要進(jìn)行激光晶體的生長(zhǎng)，雖然都是晶體生長(zhǎng)，但兩種材料大相徑庭。
在事業(yè)上升的35歲“從零開(kāi)始”，難度并不小。
碳化硅是一種性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，具有帶隙寬、耐高壓、導(dǎo)熱率高等優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，這是人們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到的，難就難在怎么把它“生長(zhǎng)”出來(lái)，這也是碳化硅發(fā)展前期被“冷落”多年的原因。
當(dāng)時(shí)，只有美國(guó)等少數(shù)國(guó)家掌握2英寸晶體生長(zhǎng)技術(shù)，對(duì)我國(guó)實(shí)施全面技術(shù)封鎖，陳小龍想試一試，看能不能把生長(zhǎng)這個(gè)科學(xué)問(wèn)題解決掉。
氣相法晶體生長(zhǎng)擴(kuò)徑是世界公認(rèn)的難題，這也是幾十年中碳化硅僅穩(wěn)定到8英寸的原因之一。
由于沒(méi)有任何生長(zhǎng)方法的經(jīng)驗(yàn)可借鑒，他們先吃透基本生長(zhǎng)原理，從畫(huà)圖紙、設(shè)計(jì)爐子開(kāi)始，與儀器廠配合，設(shè)計(jì)并制備出滿足要求的晶體生長(zhǎng)爐，進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，掌握了原料的升華、輸運(yùn)和生長(zhǎng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)基本過(guò)程，以及缺陷的形成機(jī)理，防止自發(fā)生核進(jìn)行擴(kuò)徑的方法等關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題。
經(jīng)過(guò)7年的努力，他們從早期晶體尺寸不足10毫米將晶體尺寸擴(kuò)大到2英寸，有了全自主的設(shè)備制造和晶體生長(zhǎng)的完整技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有的重大突破。
陳小龍沒(méi)有停下腳步，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)逐步實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的2至8英寸碳化硅晶體的穩(wěn)定生長(zhǎng)，并成功地應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)。此外，還發(fā)明了等面積多線切割技術(shù)，新型研磨液和拋光液，大幅降低了加工成本。
采訪中，陳小龍很少提及“坐冷板凳”的那段歷程，當(dāng)被問(wèn)及最難的時(shí)刻是否想過(guò)放棄時(shí)，他淡淡地說(shuō)了句，“不能放棄，國(guó)家已經(jīng)投入了很多，要有一個(gè)交代。”
“外國(guó)已經(jīng)‘卡’不住我們了”
基礎(chǔ)研究的突破為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)了強(qiáng)勁的動(dòng)力和支持。
2006年，陳小龍?jiān)跓o(wú)經(jīng)驗(yàn)可借鑒的情況下，與有關(guān)方面合作創(chuàng)辦了國(guó)內(nèi)第一家碳化硅晶體產(chǎn)業(yè)化企業(yè)——北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司（簡(jiǎn)稱“天科合達(dá)”），建立了完整的碳化硅晶片生產(chǎn)線。
他們經(jīng)歷了10年的蟄伏，直到2016年前后一朝綻放。隨著新能源汽車(chē)的發(fā)展、國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的提出，碳化硅成為國(guó)家新興材料的“寵兒”。
如今，天科合達(dá)向國(guó)內(nèi)100多家科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)批量供片，在導(dǎo)電型碳化硅襯底供應(yīng)商中市場(chǎng)排名國(guó)內(nèi)第一、國(guó)際第四。
碳化硅晶體的國(guó)產(chǎn)化，滿足了國(guó)家重大需求，帶動(dòng)了中車(chē)、國(guó)網(wǎng)、泰科天潤(rùn)基本半導(dǎo)體等20余家國(guó)內(nèi)企業(yè)進(jìn)入下游器件、封裝和模塊產(chǎn)業(yè)，促使國(guó)內(nèi)形成了完整的碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，帶動(dòng)了我國(guó)寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)的新能源汽車(chē)和光伏等產(chǎn)業(yè)進(jìn)入世界前列。
?“目前，晶體、襯底基本可以滿足國(guó)產(chǎn)需求，無(wú)論從質(zhì)量還是產(chǎn)量上都實(shí)現(xiàn)了自主可控。”陳小龍欣慰地說(shuō)，“經(jīng)過(guò)多年的努力，外國(guó)已經(jīng)‘卡’不住我們的脖子。”
“尺寸越來(lái)越大，缺陷越來(lái)越少，質(zhì)量越來(lái)越好。”這是陳小龍的夢(mèng)想。
2017年，陳小龍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在松山湖材料實(shí)驗(yàn)室又開(kāi)展了碳化硅同質(zhì)外延技術(shù)的研究，為碳化硅器件的制備提供外延片，他們發(fā)展了特色的外延技術(shù)，解決了外延片生長(zhǎng)的厚度和載流子均勻性的問(wèn)題，并已開(kāi)始了高質(zhì)量外延片的產(chǎn)業(yè)化。
如今，陳小龍?jiān)俅巍皻w零”。
近年來(lái)，他又帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)致力于先進(jìn)功能材料設(shè)計(jì)和新物性和新現(xiàn)象的探索，這又是從零到一、從無(wú)到有的工作，“新穎的結(jié)構(gòu)會(huì)帶來(lái)新的物理性質(zhì)，我們探索一些新型材料和結(jié)構(gòu)，發(fā)掘新現(xiàn)象，深入理解結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)。”
前路還有諸多未知，但這一次，陳小龍更有底氣和信心。
陳小龍和團(tuán)隊(duì)在做實(shí)驗(yàn)（物理所供圖）
陳小龍和團(tuán)隊(duì)在做實(shí)驗(yàn)（物理所供圖）
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焦點(diǎn)事件
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