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摘要: 资料来源北京市科委“全国科技创新中心”公众号编辑前沿在半导体材料领域,一般将硅、锗等材料称为第一代半导体,将砷化镓等材料称为第二代半导体,将碳化硅、氮化镓等材料称为第三代半导体。碳化硅主要用于制造高温 ...
资料来源北京市科委
“全国科技创新中心”公众号编辑

前言
在半导体材料领域,一般将硅、锗等材料称为第一代半导体,将砷化镓等材料称为第二代半导体,将碳化硅、氮化镓等材料称为第三代半导体。
碳化硅主要用于制造高温、高频、大功率半导体器件,是发展第三代半导体产业的关键基础材料,在新能源汽车、太阳能发电、机车牵引、大功率输配电、微波通讯和宝石等领域拥有广阔的应用前景。
中国科学院物理研究所陈小龙研究员带领他的团队,长期聚焦于碳化硅晶体生长,走出了一条从基础研究到产业化的自主创新之路,将研究成果进行产业转化,成功打造出一家国内碳化硅晶圆的龙头企业-北京天科合达半导体股份有限公司,打破了国外的技术垄断,成为国内碳化硅半导体晶圆产业的开拓者。

中国科学院物理研究所 陈小龙


二十年磨一剑

碳化硅晶体生长难度很大,需要在2300℃以上进行,加上生长过程中化学成分容易偏离,导致许多缺陷的形成,国际上的研究进展一直很缓慢。直到上世纪九十年代初,美国、德国等在技术上才有所突破,但该技术对其它国家严格保密。
1999年刚开始从事碳化硅晶体研究时,陈小龙和他的团队只能根据基本物理原理,从零做起,一点点摸索基础的实验规律,同时研发生长设备。经过7年的辛苦打拼,他们掌握了碳化硅晶体生长的基本规律和一些关键技术,把晶体尺寸从厘米级扩大到2英寸,终于看到了产业化的曙光。
2006年,以物理所的碳化硅晶体生长技术入股,陈小龙发起成立了国内第一家碳化硅产业化公司-北京天科合达半导体股份有限公司。但产业化进程并非一帆风顺,经历了诸多挑战,因为国内没有任何经验可以借鉴。作为一种高技术产品,要求碳化硅晶体内不能有任何宏观缺陷,微观缺陷要非常低,更重要的是要保证不同批次的晶体质量稳定。这些都对碳化硅晶圆的制备形成了挑战。
面对这些挑战,需要深入系统地研究,找出缺陷的形成机理,提出解决方案,再应用于生产。陈小龙带领他的团队,经过不懈努力,不畏失败,相继攻克了2英寸、4英寸和6英寸碳化硅晶圆的基础问题和关键技术,并持续开发了4代具有自主知识产权的晶体生长炉。如今他们研发的碳化硅晶圆已进入国际市场,支持了国内碳化硅产业链的全面崛起。

基础研究推动产业化

很多人不理解产业化对基础研究的需要。陈小龙说:“在我看来,产业化阶段的技术水平,恰恰是基础研究阶段积累的体现”“更让我高兴的是,每当在实验室里有了新的突破,都能很快用到产业化中去,使碳化硅晶圆质量大幅提升”。如果半导体晶圆质量不过关,一定是有些基本规律没有掌握。因此,基础研究在高技术领域是非常重要的。
在陈小龙看来,产学研的实质性合作,也是推动碳化硅产业化的重要因素。
一方面实验室的基础研究取得进展后,可以马上把得到的新认识、新规律应用到生产,得到反馈后又能在实验室尽快开展针对性研究。这种产学研的密切结合,有助于加快产业化的进程。
另一方面可以培养产业化所需的关键技术人才,加速产业化进程。他已经培养了多名从事碳化硅晶体生长的博士,这些毕业生目前已成为碳化硅晶圆研发和管理的中坚力量。

“创新从来都是九死一生”

“创新从来都是九死一生”,道出了创新的不易。在碳化硅晶体产业做强的道路上,未来还充满了许许多多的坎坷险阻,还有很多需要解决的科学和技术难题。随着碳化硅器件向大功率、高电压方向的发展,对晶体的质量要求越来越高,缺陷越来越少;为降低成本,晶体的尺寸需要越做越大。
面对质量提高和尺寸增加所带来一系列新的技术问题,陈小龙和他的团队仍然坚持基础研究,坚持自主创新。因为核心技术是拿不来的,等不来的。陈小龙坦言:“在碳化硅晶体研发的路上还有很长的路要走,需坚守初心、砥砺前行,把这一产业做强做大,推动国内碳化硅产业的快速发展”。

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