碳化硅晶体的从无到有
新能源汽车、智能电网、光伏风电、5G通信、大数据中心……不论是国家发展的重要领域，还是人们身边形影不离的电子产品，都离不开碳化硅晶体的助力，它也是材料领域发展最快、国际竞争最激烈的方向之一。但在20多年前，我们却“望其兴叹”，即使是一个仅有5毫米×5毫米的碳化硅晶体小片，我国也无法独立自主地制造出来。可喜的是，在艰辛的科研历程中，中国科学院物理研究所先进材料与结构分析实验室陈小龙研究员带领团队打破了技术封锁，实现了我国自主创新的碳化硅晶片产品从无到有的重要突破，然而回望这一历程，却充满了荆棘与挑战。“初接触这一领域时，尽管明确碳化硅单晶生长的标准方法是物理气相传输法，了解了其大致原理，但对于其中的基本规律和细节却知之甚少，需要一点一点逐步探索，从基础研究开始，逐渐探知碳化硅晶体领域的全貌。”陈小龙在接受“首都科技人”宣传活动的采访中回忆道。或有人知晓，晶体的生长需要籽晶，其就像一颗种子，是未来获得优质碳化硅晶体的基础。然而，在1997年时，即使是一颗微小的“种子”，也是科研人员心心念念的珍宝。经过三年的潜心研究，陈小龙带领团队实现了“零的突破”，收获了不足1立方厘米的碳化硅单晶。尽管体积微小，但对于碳化硅晶体领域的研究而言，却前进了一大步。陈小龙谈道：“虽然当时得到的碳化硅晶体因尺寸太小并无工业应用价值，但它的出现让我们对此前的研究充满了信心。通过一系列研究，加深了我们对物理气相传输法细节的了解，明确了固体需要在2000℃-2300℃的高温下升华为气相，然后再运输到冷端，继而在籽晶上缓缓结晶的过程中所涉及的细节。同时，逐渐深化在这一过程中涉及的热力学、生长动力学等一系列相关研究。”晶体生长的探索之路
尽管基础理论研究已明确，但在实际的碳化硅晶体制备过程中，依然面临诸多考验。首先，碳化硅晶体在性质上比较特别，如同一位“百变星君”，具有200多种晶型，且在生长过程中，很容易在高温下发生相变，即从一种晶型转变为另一种晶型。若工业中所需的晶型为4H-SiC，但在实际生长中变为6H-SiC，便无法顺利交付。其次，碳化硅晶体是一位“慢性子”，其生长速度比较缓慢，常常需要生长120-150小时左右，约有一个星期之久。此外，在从固体升华为气相的过程中，碳与硅原本1:1的固体成分比例出现了变化，硅的比例会有所增加，而这种成分比例的变化，很容易使晶体出现缺陷。面对众多难题的考验，陈小龙带领团队攻坚克难，夜以继日地进行科研攻关，经过机理提出-验证-机理修正-再验证的过程，将难题逐一击破。“2005年，我们迎来了碳化硅晶体研究的第一个里程碑，实现了两英寸碳化硅晶体的制备。看到其具有一定的工业应用价值，我和团队成员们都为此感到振奋，这也是对我们此前科研工作的重要肯定。”陈小龙谈道。补齐成果转化的设备“缺位”
为更好地满足工业生产需要，陈小龙带领团队开展成果转化，2006年便创建了国内第一家碳化硅晶体产业化公司——北京天科合达半导体股份有限公司（简称“天科合达”），专注于开发碳化硅晶体生长炉和碳化硅晶体生长、加工技术，建立了完整的碳化硅晶片生产线。彼时，碳化硅晶体材料在国内外的热度较低，其应用领域的发展也远不如今日广阔，因而其相关设备及所需辅助用品均少有专门的企业涉及。因此，在天科合达初创时，大到晶体生长设备，高纯碳化硅粉体, 晶体研磨液、抛光液，小到籽晶粘胶装置，都需要团队自主研发。早期，面对并无专门设备的情况，团队依靠一台能够勉强达到高温要求的晶体退火炉进行碳化硅晶体制备。在这台原本作为石墨加热炉的基础上，通过不断研究，进行了一系列重大改进，制作出国内第一台线圈内置式感应生长炉。“如今还常能回忆起来，当时和研究所里的老先生们一起并肩作战的日子。那段时间，大家群策群力，在有限的条件下实现了碳化硅晶体的制备，十分不易。”陈小龙谈道。尽管能够实现制备，但“术业有专攻”，这一设备作为原本的石墨加热炉，在碳化硅晶体制备上存在温场无法调控、真空度弱的缺陷。因此，陈小龙带领团队依据此前改进设备的经验，结合进一步研究成果，设计出专用于碳化硅晶体制备的专用设备，满足了温场调控与压力调节的需求，尽管当时只能产出约三英寸左右的晶体，但在应用中却以事实验证了设备的实用性。虽然取得了阶段性成果，但陈小龙从未停步，而是不断地进行设备优化。为了更好地控制炉温上下部的温度差，实现晶体制备期间温度和压力变化的动态调控，团队在第一代设备的基础上进行了改良，从而减小了生长室内部温度和压力的大幅波动，保障了生长的稳定性。随后的数年间，优化与改良已成为团队助力设备日臻完美的“进阶之路”。为进一步确保碳化硅晶体制备的稳定性，团队自主研发并应用了电场-磁场-热场高效耦合的单晶生长装备，实现了温场和压力的精确调控，有效抑制了晶体边缘形核，避免了碳化硅晶体生长中易出现的一系列问题。突破晶体扩径的国际公认难题
在保障碳化硅晶体顺利生产的基础上，为了进一步提高晶体质量、良率，降低成本，需要进行晶体扩径，即通过不断迭代和优化生长条件，实现晶体高效扩径生长，使其直径进一步扩大。然而，碳化硅晶体扩径存在一定难度。当晶体直径变大后，温场分布便会发生改变，温度的均匀性变得更难控制，晶体的生长难度呈几何级增长，多种缺陷也会纷至沓来。对于晶体扩径难题，陈小龙至今依然对曾经的经历记忆犹新，他回忆说：“当时，我们刚刚实现6英寸碳化硅晶体的制备，但在实际生产中，却出现了‘随机’开裂的现象，让大家不仅感到十分可惜，而且百思不得其解。一时间未能摸清其中规律，开炉时甚至会战战兢兢，感到很伤脑筋。面对此种情况，我鼓励大家‘痛定思痛’，多思考多研究。后来，团队里一位很有想法的成员灵感迸发，突然提出对于应力消除的解决方案有没有可能是反直觉的，继而大家顺着这一思路进行探索，果然避免了开裂的问题。这也提示我在研究中不要进入惯性思维怪圈，遇到难关时反而要跳出圈子，以新角度、新方向进行思考。”通过多年的研究，陈小龙攻克了晶体扩径这一公认的难题。如今，已经能够保障稳定生长出高质量的2至8英寸碳化硅晶体，进一步推动碳化硅在各产业领域的应用。助碳化硅晶体在重要领域大显身手
作为新能源汽车、光伏和5G通讯等战略性半导体材料，碳化硅晶体在推动绿色、低碳、高效新型产业发展的重要性可见一斑。以新能源汽车为例，2024年，我国新能源汽车市场保持高歌猛进的态势，年度产销均首次突破1000万辆大关。但曾几何时，对于新能源汽车续航里程的焦虑让不少选车者望而却步。幸运的是，碳化硅材料的应用有效缓解了这一问题。相比硅基器件，碳化硅器件拥有更卓越的物理性能，其体积更小、重量更轻，节能转化效率更高，能够使新能源汽车的电驱系统更加高效，进而提升车辆的加速性能和续航能力。同时，其在相同功率下所需的材料更少，有助于提升车辆的燃油经济性……不难发现，碳化硅器件的应用在新能源汽车的优势扩大化之路上发挥了显著作用。面对新能源汽车行业与碳化硅晶体领域的发展现状，陈小龙也表达了自身期盼：“目前碳化硅器件主要应用于20万以上的新能源汽车，希望能通过持续研究，进一步增加碳化硅晶体良率与质量，从而降低成本，让更多新能源汽车的购买者享受到碳化硅器件之益。同时，也希望我们自主创新获得的立方碳化硅晶体能够早日在高端MOS器件上应用，为有效推动我国半导体关键材料和器件的高质量发展，提升我国产品的竞争力，加快培育新质生产力，作出新的更大贡献。”
撰文：记者 廖迈伦
编辑：田云丰
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