中國粉體網(wǎng)訊 作為第三代半導(dǎo)體材料，碳化硅晶體具有耐高溫、耐高壓、高頻特性好、轉(zhuǎn)化效率高、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，是新能源汽車、光伏和5G通訊等急需的半導(dǎo)體材料，是材料領(lǐng)域發(fā)展最快、國際競爭最激烈的方向之一。
2300℃的極端高溫讓碳化硅粉末升華為氣體。歷經(jīng)約7天的精密“孕育”，一塊可用于制造高性能芯片的“關(guān)鍵法寶”——碳化硅晶錠得以出爐。隨后，經(jīng)過切削、打磨、拋光等多道精細(xì)工序，這塊晶錠最終被加工成厚度不足0.5毫米、薄如蟬翼的碳化硅襯底。
來源：北京科技報(bào)
然而回溯20多年前，就是這樣一片薄薄的碳化硅晶片，我國卻無法實(shí)現(xiàn)自主制造，完全依賴進(jìn)口。在這一困境下，中國科學(xué)院物理研究所研究員陳小龍挺身而出，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)20余載深耕，從零起步、自主創(chuàng)新，成功攻克了碳化硅晶體生長設(shè)備研發(fā)、晶體生長工藝優(yōu)化、缺陷抑制技術(shù)突破、晶片精密加工等一系列核心難題，最終實(shí)現(xiàn)碳化硅單晶的國產(chǎn)化量產(chǎn)，打破了國外長期的技術(shù)封鎖，為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的自主發(fā)展注入了強(qiáng)勁動(dòng)力。
破局：從零摸索，攻克2英寸晶體生長難關(guān)
20世紀(jì)90年代，全球僅有美國等少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握2英寸碳化硅晶體生長技術(shù)，且該技術(shù)主要應(yīng)用于先進(jìn)雷達(dá)、航空航天等高端領(lǐng)域，對我國實(shí)施嚴(yán)格的技術(shù)封鎖。彼時(shí)，碳化硅單晶研究在國內(nèi)尚屬“冷門”方向。
1999年，在時(shí)任中國科學(xué)院物理研究所領(lǐng)導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人的支持下，35歲的陳小龍毅然挑起重?fù)?dān)，擔(dān)任晶體生長組組長，開啟了國產(chǎn)碳化硅晶體研發(fā)的艱難征程。盡管業(yè)界早已認(rèn)知到碳化硅的優(yōu)異性能，但如何讓晶體穩(wěn)定生長一直是制約其發(fā)展的核心瓶頸，也是這一領(lǐng)域長期被“冷落”的關(guān)鍵原因。面對無經(jīng)驗(yàn)可借鑒、無成熟設(shè)備可用的困境，陳小龍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從基本物理原理出發(fā)，一點(diǎn)點(diǎn)摸索實(shí)驗(yàn)規(guī)律，化身碳化硅晶體制備方法的“探路者”。
晶體生長離不開籽晶——這顆如同“種子”的微小晶體，是培育優(yōu)質(zhì)碳化硅晶體的基礎(chǔ)，也是當(dāng)時(shí)科研團(tuán)隊(duì)急需突破的難題之一。為攻克這一難關(guān)，團(tuán)隊(duì)首先吃透晶體生長的基本原理，隨后從繪制設(shè)備圖紙、設(shè)計(jì)晶體生長爐開始，與儀器廠家深度合作，反復(fù)調(diào)試、優(yōu)化，最終研制出滿足實(shí)驗(yàn)要求的晶體生長爐。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)開展了大量實(shí)驗(yàn)，逐步掌握了碳化硅原料升華、輸運(yùn)、生長的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)基本過程，厘清了晶體缺陷的形成機(jī)理，探索出防止自發(fā)生核、實(shí)現(xiàn)晶體擴(kuò)徑的關(guān)鍵技術(shù)。
通過系統(tǒng)研究碳化硅晶體生長的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)規(guī)律，團(tuán)隊(duì)成功揭示了晶體生長過程中相變、缺陷等問題的形成機(jī)制。歷經(jīng)“機(jī)理提出—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—機(jī)理修正—再次驗(yàn)證”的反復(fù)迭代，在多種模型體系的輔助下，2005年，陳小龍團(tuán)隊(duì)終于實(shí)現(xiàn)了2英寸碳化硅晶體生長的技術(shù)突破，為國產(chǎn)碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展邁出了關(guān)鍵一步。
拓界：產(chǎn)學(xué)研融合，突破大尺寸晶體產(chǎn)業(yè)化瓶頸
2006年，在2英寸晶體技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，陳小龍并未止步。面對國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)“有技術(shù)無產(chǎn)業(yè)”的困境，他在無成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒的情況下，率先開啟碳化硅單晶的產(chǎn)業(yè)化探索，牽頭創(chuàng)建了國內(nèi)第一家碳化硅晶體產(chǎn)業(yè)化公司——北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司。通過“產(chǎn)學(xué)研”深度融合的模式，團(tuán)隊(duì)持續(xù)推動(dòng)技術(shù)向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，先后在2010年、2014年成功研制出4英寸、6英寸碳化硅單晶，產(chǎn)品性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，為高性能碳化硅基器件的國產(chǎn)化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為后續(xù)滿足新能源汽車、光伏等產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化應(yīng)用需求提供了可能。
然而，碳化硅晶體尺寸的擴(kuò)大絕非簡單的“直徑增加”。隨著晶體直徑變大，爐內(nèi)溫場分布會(huì)發(fā)生復(fù)雜變化，進(jìn)而引發(fā)晶體應(yīng)力不均、缺陷增多等一系列新問題，這也使得8英寸碳化硅晶體生長長期被視為行業(yè)難題。
來源：中國科學(xué)院物理研究所
談及晶體擴(kuò)徑過程中的挑戰(zhàn)，陳小龍對一段經(jīng)歷記憶猶新：“當(dāng)時(shí)我們剛實(shí)現(xiàn)6英寸碳化硅晶體的制備，但在實(shí)際生產(chǎn)中，晶體卻頻繁出現(xiàn)隨機(jī)開裂現(xiàn)象。每一塊開裂的晶體都讓大家心疼不已，卻始終找不到問題根源。那段時(shí)間，每次開爐大家都格外緊張，甚至有些戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢�！泵鎸Ь常愋↓埞膭�(lì)團(tuán)隊(duì)痛定思痛，跳出慣性思維。最終，團(tuán)隊(duì)一位成員提出了“反直覺”的應(yīng)力消除方案，大家順著這一思路反復(fù)實(shí)驗(yàn)，果然成功解決了晶體開裂問題�！斑@件事也提醒我，科研中遇到難關(guān)時(shí)，不能陷入思維定式，反而要換個(gè)角度、換個(gè)方向，或許就能找到突破口�！标愋↓埜锌�。
憑借這份堅(jiān)持與創(chuàng)新，陳小龍團(tuán)隊(duì)最終攻克了晶體擴(kuò)徑這一公認(rèn)難題。如今，我國已能穩(wěn)定生長出高質(zhì)量的2至8英寸碳化硅晶體，進(jìn)一步推動(dòng)碳化硅材料在新能源、5G、航空航天等多個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
領(lǐng)航：筑全產(chǎn)業(yè)鏈，助力半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展
從技術(shù)研發(fā)到產(chǎn)業(yè)落地，陳小龍團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)數(shù)十年“蟄伏”。直到2016年前后，隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速崛起以及國家“雙碳”目標(biāo)的提出，碳化硅材料的戰(zhàn)略價(jià)值日益凸顯，成為國家重點(diǎn)扶持的新興材料“寵兒”，國產(chǎn)碳化硅產(chǎn)業(yè)也迎來了爆發(fā)式增長期。
來源：天科合達(dá)
如今，北京天科合達(dá)已能向國內(nèi)100多家科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)批量供應(yīng)碳化硅襯底。碳化硅晶體的國產(chǎn)化，不僅滿足了國家在高端半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的重大需求，更帶動(dòng)了20余家國內(nèi)企業(yè)進(jìn)入碳化硅下游器件、封裝和模塊產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)我國形成了完整的碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，為國內(nèi)寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入了強(qiáng)勁活力，也助力我國新能源汽車、光伏等產(chǎn)業(yè)躋身世界前列。
“目前，國內(nèi)碳化硅晶體、襯底的供應(yīng)基本可以滿足國產(chǎn)需求，無論從質(zhì)量還是產(chǎn)量上，都實(shí)現(xiàn)了自主可控�！闭劶俺晒�，陳小龍欣慰地表示，“經(jīng)過這么多年的努力，外國已經(jīng)‘卡’不住我們的脖子了�！�
成績面前，陳小龍團(tuán)隊(duì)并未停下腳步。當(dāng)前，團(tuán)隊(duì)正瞄準(zhǔn)“進(jìn)一步提升碳化硅晶體良率與質(zhì)量”這一目標(biāo)持續(xù)攻關(guān)�！拔覀兿Ｍㄟ^持續(xù)研究，降低碳化硅材料的生產(chǎn)成本，讓更多新能源汽車消費(fèi)者享受到碳化硅器件帶來的優(yōu)勢�！蓖瑫r(shí)，團(tuán)隊(duì)也在推進(jìn)自主創(chuàng)新的立方碳化硅晶體研究，期待其能早日在高端MOS器件上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，為推動(dòng)我國半導(dǎo)體關(guān)鍵材料和器件的高質(zhì)量發(fā)展、提升國產(chǎn)產(chǎn)品國際競爭力、加快培育新質(zhì)生產(chǎn)力作出新的更大貢獻(xiàn)。
參考來源：
北京日報(bào).“晶”益求精
中國科學(xué)報(bào).陳小龍：20余年堅(jiān)守創(chuàng)新“開路”國產(chǎn)碳化硅
物理所所友總會(huì).陳小龍：從0到1為國產(chǎn)碳化硅“開路”
北京科技報(bào).陳小龍：從氣相到液相碳化硅晶體生長技術(shù)——攻堅(jiān)與持續(xù)創(chuàng)新
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/初末）
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