在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，一般將硅、鍺等材料稱(chēng)為第一代半導(dǎo)體，將砷化鎵等材料稱(chēng)為第二代半導(dǎo)體，將碳化硅、氮化鎵等材料稱(chēng)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(chē)、太陽(yáng)能發(fā)電、機(jī)車(chē)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(guó)科學(xué)院物理研究所陳小龍研究員帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)，長(zhǎng)期聚焦于碳化硅晶體生長(zhǎng)，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(guó)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(guó)外的技術(shù)壟斷，成為國(guó)內(nèi)碳化硅半導(dǎo)體晶圓產(chǎn)業(yè)的開(kāi)拓者。

中國(guó)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(zhǎng)難度很大，需要在2300℃以上進(jìn)行，加上生長(zhǎng)過(guò)程中化學(xué)成分容易偏離，導(dǎo)致許多缺陷的形成，國(guó)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(guó)、德國(guó)等在技術(shù)上才有所突破，但該技術(shù)對(duì)其它國(guó)家嚴(yán)格保密。

1999年剛開(kāi)始從事碳化硅晶體研究時(shí)，陳小龍和他的團(tuán)隊(duì)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(shí)研發(fā)生長(zhǎng)設(shè)備。經(jīng)過(guò)7年的辛苦打拼，他們掌握了碳化硅晶體生長(zhǎng)的基本規(guī)律和一些關(guān)鍵技術(shù)，把晶體尺寸從厘米級(jí)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(zhǎng)技術(shù)入股，陳小龍發(fā)起成立了國(guó)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?guó)內(nèi)沒(méi)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(guān)缺陷，微觀(guān)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(duì)碳化硅晶圓的制備形成了挑戰(zhàn)。

面對(duì)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(duì)，經(jīng)過(guò)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(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)，并持續(xù)開(kāi)發(fā)了4代具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的晶體生長(zhǎng)爐。如今他們研發(fā)的碳化硅晶圓已進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，支持了國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的全面崛起。

基礎(chǔ)研究推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化

很多人不理解產(chǎn)業(yè)化對(duì)基礎(chǔ)研究的需要。陳小龍說(shuō)：“在我看來(lái)，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(guò)關(guān)，一定是有些基本規(guī)律沒(méi)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(lái)，產(chǎn)學(xué)研的實(shí)質(zhì)性合作，也是推動(dòng)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(shí)、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(kāi)展針對(duì)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(zhǎng)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(jiān)力量。

“創(chuàng)新從來(lái)都是九死一生”

“創(chuàng)新從來(lái)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(lái)還充滿(mǎn)了許許多多的坎坷險(xiǎn)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(duì)晶體的質(zhì)量要求越來(lái)越高，缺陷越來(lái)越少；為降低成本，晶體的尺寸需要越做越大。

面對(duì)質(zhì)量提高和尺寸增加所帶來(lái)一系列新的技術(shù)問(wèn)題，陳小龍和他的團(tuán)隊(duì)仍然堅(jiān)持基礎(chǔ)研究，堅(jiān)持自主創(chuàng)新。因?yàn)楹诵募夹g(shù)是拿不來(lái)的，等不來(lái)的。陳小龍?zhí)寡裕骸霸谔蓟杈w研發(fā)的路上還有很長(zhǎng)的路要走，需堅(jiān)守初心、砥礪前行，把這一產(chǎn)業(yè)做強(qiáng)做大，推動(dòng)國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展”。