“要么做真正原创性的基础研究，要么做意义重大、促进产业发展的研究，不能做一些两不靠的工作，这些意义不大，我们的理想是两者兼顾。”这是中国科学院物理研究所研究员陈小龙一直以来所坚守的信念。
陈小龙长期从事第三代半导体材料碳化硅晶体制备的基础和应用基础研究，20多年来，他带领团队从零开始自主创新，抢占科技制高点，打破国外封锁，实现了国产化。
2023年底，陈小龙带领团队另辟蹊径，实现了晶圆级立方碳化硅单晶生长的新突破，它区别于目前应用广泛的六方碳化硅（4H-SiC），有望制备出具有更高性能的碳化硅基晶体管，这是国际首次获得可量产、可商业化的晶圆级立方碳化硅单晶生长技术。
今年年初，陈小龙当选2023年中国科学院年度创新人物。
“另辟蹊径”获取新突破
作为第三代半导体材料，碳化硅晶体是新能源汽车、光伏和5G通讯等急需的战略性半导体材料，是材料领域发展最快、国际竞争最激烈的方向之一。
目前已发现碳化硅类型多达200多种，商业化应用最为广泛的碳化硅晶型之一是六方碳化硅。高质量碳化硅单晶的生长极其困难，不仅要满足2300摄氏度以上的高温，在生长过程中还喜欢“七十二变”，极不稳定，因此，只有少数掌握国家掌握了碳化硅晶体生长技术细节。
六方碳化硅虽在商业上最成熟，但仍存在因栅氧界面缺陷多而导致器件可靠性差等问题，科学家们试图开发新一代立方碳化硅。
与六方碳化硅相比，立方碳化硅的载流子迁移率、热传导性能、机械性能都更胜一筹，更有助于制造高性能、高可靠、长寿命的晶体管器件。
然而，立方碳化硅的晶体生长的挑战更大，欧洲的7个国家共14个团队组织起来开展了名为“挑战者计划”的项目，就是为了把立方碳化硅的晶体、外延、器件做出来，然而，他们至今没有完全成功，因无法克服晶体生长环节的相变和开裂，目前生长出的晶体厚度仅1mm-2mm，成本高，难以产业化。
陈小龙介绍，立方碳化硅的晶体生长的难度就在于，在生长过程中很容易发生相变，不稳定，不能获得大尺寸单一晶型的晶体，必须要探索新的生长方法。
2017年，陈小龙决定开辟“新赛道”，探索液相碳化硅晶体生长新方法。
“陈老师始终强调基础研究的重要性，回归最根本才是能实现原始创新有所创新，对于碳化硅晶体其生长方法和原理就是本源。”陈小龙团队成员、中国科学院物理研究所研究员郭建刚告诉《中国科学报》。
历时四年，陈小龙团队在过往的经验基础上，创新性地提出了调控固—液界面能，在异质籽晶上较同质籽晶优先形核和生长的学术思想。
他们以该思想为指导，在高温下测出了熔体和不同晶型立方体晶体的界面能变化规律，利用高温液相法，最终抑制了生长过程中的相变，生长出了直径2-4英寸、厚度4-10 mm、单一晶型的立方碳化硅单晶，这种晶圆级、高质量的大块立方碳化硅晶体在国际上是首次。
“衬底是下游半导体芯片制作中最关键的原料之一。”陈小龙告诉《中国科学报》，立方碳化硅的外延和器件制备与目前主流六方碳化硅的工艺和设备都能兼容。我们将进一步提高晶体生长稳定性和可靠性，同时向更大的尺寸和厚度发展，为规模生产奠定了基础。
“如果说我们还在追赶传统的六方碳化硅，那么在新一代立方体碳化硅方面，我们已经走在了世界前列。”陈小龙自豪地说。
35岁“从零开始”
陈小龙能够做出了别人没有做出的材料，离不开他在这一领域数十年的深耕和坚守。
陈小龙带领团队从基础研究到应用研究，从生长设备到高质量碳化硅单晶生长和加工等关键技术都取得突破，突破了国外对我国的长期封锁，形成了具有自主知识产权的完整技术路线，实现了碳化硅单晶国产化。
从无到有，从跟跑到并跑，甚至开始领跑的过程，需要魄力和耐心。
上世纪90年代，在中国，碳化硅单晶研究还是少有人关注的“冷门”方向。
当时，美国半导体行业快速发展，碳化硅开始商业化，尤其在上世纪九十年代初，美国科学家成功研发碳化硅衬底LED技术，引发广泛关注。
那时，30多岁的陈小龙在结构分析和物相关系研究领域已颇有成就，当大洋彼岸传来信息时，在他深深意识到，宽禁带半导体行业未来的发展不可估量。
“我认为它很有潜力，如果做出来，未来对中国一定非常有用。” 1999年，在当时所领导和实验室负责人的支持下，陈小龙正式“改行”并成为晶体生长组的组长。彼时，研究组主要进行激光晶体的生长，虽然都是晶体生长，但两种材料大相径庭。
在事业上升的35岁“从零开始”，难度并不小。
碳化硅是一种性能优异的半导体材料，具有带隙宽、耐高压、导热率高等优势。事实上，这是人们早已认识到的，难就难在怎么把它“生长”出来，这也是碳化硅发展前期被“冷落”多年的原因。
当时，只有美国等少数国家掌握2英寸晶体生长技术，对我国实施全面技术封锁，陈小龙想试一试，看能不能把生长这个科学问题解决掉。
气相法晶体生长扩径是世界公认的难题，这也是几十年中碳化硅仅稳定到8英寸的原因之一。
由于没有任何生长方法的经验可借鉴，他们先吃透基本生长原理，从画图纸、设计炉子开始，与仪器厂配合，设计并制备出满足要求的晶体生长炉，进行大量的实验，掌握了原料的升华、输运和生长的热力学和动力学基本过程，以及缺陷的形成机理，防止自发生核进行扩径的方法等关键科学和技术问题。
经过7年的努力，他们从早期晶体尺寸不足10毫米将晶体尺寸扩大到2英寸，有了全自主的设备制造和晶体生长的完整技术路线，实现了从无到有的重大突破。
陈小龙没有停下脚步，带领团队逐步实现了高质量的2至8英寸碳化硅晶体的稳定生长，并成功地应用于产业。此外，还发明了等面积多线切割技术，新型研磨液和抛光液，大幅降低了加工成本。
采访中，陈小龙很少提及“坐冷板凳”的那段历程，当被问及最难的时刻是否想过放弃时，他淡淡地说了句，“不能放弃，国家已经投入了很多，要有一个交代。”
“外国已经‘卡’不住我们了”
基础研究的突破为产业发展带来了强劲的动力和支持。
2006年，陈小龙在无经验可借鉴的情况下，与有关方面合作创办了国内第一家碳化硅晶体产业化企业——北京天科合达半导体股份有限公司（简称“天科合达”），建立了完整的碳化硅晶片生产线。
他们经历了10年的蛰伏，直到2016年前后一朝绽放。随着新能源汽车的发展、国家“双碳”战略的提出，碳化硅成为国家新兴材料的“宠儿”。
如今，天科合达向国内100多家科研机构和企业批量供片，在导电型碳化硅衬底供应商中市场排名国内第一、国际第四。
碳化硅晶体的国产化，满足了国家重大需求，带动了中车、国网、泰科天润基本半导体等20余家国内企业进入下游器件、封装和模块产业，促使国内形成了完整的碳化硅半导体产业链，带动了我国宽禁带半导体产业的发展，促进我国的新能源汽车和光伏等产业进入世界前列。
“目前，晶体、衬底基本可以满足国产需求，无论从质量还是产量上都实现了自主可控。”陈小龙欣慰地说，“经过多年的努力，外国已经‘卡’不住我们的脖子。”
“尺寸越来越大，缺陷越来越少，质量越来越好。”这是陈小龙的梦想。
2017年，陈小龙带领团队在松山湖材料实验室又开展了碳化硅同质外延技术的研究，为碳化硅器件的制备提供外延片，他们发展了特色的外延技术，解决了外延片生长的厚度和载流子均匀性的问题，并已开始了高质量外延片的产业化。
如今，陈小龙再次“归零”。
近年来，他又带领团队致力于先进功能材料设计和新物性和新现象的探索，这又是从零到一、从无到有的工作，“新颖的结构会带来新的物理性质，我们探索一些新型材料和结构，发掘新现象，深入理解结构和物理性质之间的关联。”
前路还有诸多未知，但这一次，陈小龙更有底气和信心。
陈小龙和团队在做实验（物理所供图）
陈小龙和团队在做实验（物理所供图）
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