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陈小龙：《持续创新攻克晶体扩径难题》
2026-09-18 09:35:08
作者：陈小龙（中国科学院院士，中国科学院物理研究所研究员）
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，中国终于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。
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。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。
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，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。
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。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。
作者介绍：
陈小龙：功能晶体材料专家，中国科学院院士，中国科学院物理研究所研究员、博士生导师，北京凝聚态物理国家研究中心研究员，国家杰出青年科学基金获得者，享受国务政府特殊津贴，入选“新世纪百千万人才工程”。陈小龙院士长期从事功能晶体材料研究工作，发展了宽禁带半导体碳化硅晶体生长新方法，实现了中国碳化硅晶体生长和加工技术从零到一、产品从无到有、产业自主可控，带动了中国宽禁带半导体产业的快速发展。先后主持国家重大基础科学研究计划项目（973首席科学家）、科技部科技支撑计划项目、科技部863重点项目、国家基金委重大研究计划集成项目和北京市科委重点项目等，目前主持多项国家自然科学基金委、科技部和中国科学院项目；制定国家标准3项，授权发明专利70余项（国际专利6项）；在Nat. Chem、Nat. Astron.、Phys. Rev. Lett.、J. Am. Chem. Soc.等国内外期刊发表学术论文470余篇，他引13600余次，单篇最高他引1190余次。研究成果获国家自然科学二等奖、中国科学院科技促进发展奖、新疆生产建设兵团科技进步一等奖、中国科学院杰出科技成就奖和中国发明协会发明创业特等奖(个人)，并荣获中央和国家机关五一劳动奖章、中国科学院年度创新人物称号、中国科学院优秀党务工作者及ICDD杰出会士等。
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