在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，一般將硅、鍺等材料稱為第一代半導(dǎo)體，將砷化鎵等材料稱為第二代半導(dǎo)體，將碳化硅、氮化鎵等材料稱為第三代半導(dǎo)體。

碳化硅主要用于制造高溫、高頻、大功率半導(dǎo)體器件，是發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，在新能源汽車、太陽能發(fā)電、機(jī)車牽引、大功率輸配電、微波通訊和寶石等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。

中國科學(xué)院物理研究所陳小龍研究員帶領(lǐng)他的團(tuán)隊，長期聚焦于碳化硅晶體生長，走出了一條從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化的自主創(chuàng)新之路，將研究成果進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，成功打造出一家國內(nèi)碳化硅晶圓的龍頭企業(yè)-北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司，打破了國外的技術(shù)壟斷，成為國內(nèi)碳化硅半導(dǎo)體晶圓產(chǎn)業(yè)的開拓者。

中國科學(xué)院物理研究所 陳小龍

二十年磨一劍

碳化硅晶體生長難度很大，需要在2300℃以上進(jìn)行，加上生長過程中化學(xué)成分容易偏離，導(dǎo)致許多缺陷的形成，國際上的研究進(jìn)展一直很緩慢。直到上世紀(jì)九十年代初，美國、德國等在技術(shù)上才有所突破，但該技術(shù)對其它國家嚴(yán)格保密。

1999年剛開始從事碳化硅晶體研究時，陳小龍和他的團(tuán)隊只能根據(jù)基本物理原理，從零做起，一點(diǎn)點(diǎn)摸索基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，同時研發(fā)生長設(shè)備。經(jīng)過7年的辛苦打拼，他們掌握了碳化硅晶體生長的基本規(guī)律和一些關(guān)鍵技術(shù)，把晶體尺寸從厘米級擴(kuò)大到2英寸，終于看到了產(chǎn)業(yè)化的曙光。

2006年，以物理所的碳化硅晶體生長技術(shù)入股，陳小龍發(fā)起成立了國內(nèi)第一家碳化硅產(chǎn)業(yè)化公司-北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司。但產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程并非一帆風(fēng)順，經(jīng)歷了諸多挑戰(zhàn)，因?yàn)閲鴥?nèi)沒有任何經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。作為一種高技術(shù)產(chǎn)品，要求碳化硅晶體內(nèi)不能有任何宏觀缺陷，微觀缺陷要非常低，更重要的是要保證不同批次的晶體質(zhì)量穩(wěn)定。這些都對碳化硅晶圓的制備形成了挑戰(zhàn)。

面對這些挑戰(zhàn)，需要深入系統(tǒng)地研究，找出缺陷的形成機(jī)理，提出解決方案，再應(yīng)用于生產(chǎn)。陳小龍帶領(lǐng)他的團(tuán)隊，經(jīng)過不懈努力，不畏失敗，相繼攻克了2英寸、4英寸和6英寸碳化硅晶圓的基礎(chǔ)問題和關(guān)鍵技術(shù)，并持續(xù)開發(fā)了4代具有自主知識產(chǎn)權(quán)的晶體生長爐。如今他們研發(fā)的碳化硅晶圓已進(jìn)入國際市場，支持了國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的全面崛起。

基礎(chǔ)研究推動產(chǎn)業(yè)化

很多人不理解產(chǎn)業(yè)化對基礎(chǔ)研究的需要。陳小龍說：“在我看來，產(chǎn)業(yè)化階段的技術(shù)水平，恰恰是基礎(chǔ)研究階段積累的體現(xiàn)”“更讓我高興的是，每當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室里有了新的突破，都能很快用到產(chǎn)業(yè)化中去，使碳化硅晶圓質(zhì)量大幅提升”。如果半導(dǎo)體晶圓質(zhì)量不過關(guān)，一定是有些基本規(guī)律沒有掌握。因此，基礎(chǔ)研究在高技術(shù)領(lǐng)域是非常重要的。

在陳小龍看來，產(chǎn)學(xué)研的實(shí)質(zhì)性合作，也是推動碳化硅產(chǎn)業(yè)化的重要因素。

一方面實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究取得進(jìn)展后，可以馬上把得到的新認(rèn)識、新規(guī)律應(yīng)用到生產(chǎn)，得到反饋后又能在實(shí)驗(yàn)室盡快開展針對性研究。這種產(chǎn)學(xué)研的密切結(jié)合，有助于加快產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

另一方面可以培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)化所需的關(guān)鍵技術(shù)人才，加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。他已經(jīng)培養(yǎng)了多名從事碳化硅晶體生長的博士，這些畢業(yè)生目前已成為碳化硅晶圓研發(fā)和管理的中堅力量。

“創(chuàng)新從來都是九死一生”

“創(chuàng)新從來都是九死一生”，道出了創(chuàng)新的不易。在碳化硅晶體產(chǎn)業(yè)做強(qiáng)的道路上，未來還充滿了許許多多的坎坷險阻，還有很多需要解決的科學(xué)和技術(shù)難題。隨著碳化硅器件向大功率、高電壓方向的發(fā)展，對晶體的質(zhì)量要求越來越高，缺陷越來越少；為降低成本，晶體的尺寸需要越做越大。

面對質(zhì)量提高和尺寸增加所帶來一系列新的技術(shù)問題，陳小龍和他的團(tuán)隊仍然堅持基礎(chǔ)研究，堅持自主創(chuàng)新。因?yàn)楹诵募夹g(shù)是拿不來的，等不來的。陳小龍?zhí)寡裕骸霸谔蓟杈w研發(fā)的路上還有很長的路要走，需堅守初心、砥礪前行，把這一產(chǎn)業(yè)做強(qiáng)做大，推動國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展”。