一文了解中科院物理所功能晶体研究与应用中心

中心简介

中科院物理研究所功能晶体研究与应用中心的研究工作主要集中在宽禁带半导体晶体生长和新功能晶体材料探索方面，在国家863、973和科技支撑计划等科研项目的支持下，近年来在SiC晶体生长和加工、铁基新超导体和硼酸盐晶体、掺杂宽禁带半导体的物性以及SiC衬底上外延石墨烯及其性能等方面获得了一系列基础研究成果，同时在高技术产业化领域也取得了重大突破，形成了鲜明的特色。

研究组目前拥有2名研究员、3名副研究员、1名高级实验师、1名助理研究员和17名研究生，具有良好的创新意识和较强的科研能力。2010年，以研究组为核心的宽禁带半导体材料研究与应用团队荣获“中国科学院先进集体”荣誉称号。

研究组拥有中频感应加热晶体生长炉、磁控溅射仪、手套箱、X-射线衍射仪、综合物性测量系统（PPMS）和霍尔效应测试仪等仪器设备，为科研工作的顺利开展提供了充分保障。

研究组与国际衍射数据中心（International Centre for Diffraction Data，ICDD）保持长期的合作关系。此外，研究组与Stony Brook University-SUNY、Tokyo Institute of Technology、Leibniz-Institut für Kristallzüchtung以及国内多家科研院所和高校的相关研究组建立了密切的联系。

中心主任陈小龙研究员简介

陈小龙，博士，德国海德堡大学和巴洛意特大学洪堡学者。现任中科院物理研究所研究员，博士生导师，功能晶体研究与应用中心主任，1999年获国家杰出青年科学基金，2004年至今兼任中国晶体学会副理事长和国际衍射数据中心（ICDD）中国区主席，2007年获ICDD Fellow称号，2009年成为“新世纪百千万人才工程”国家级人选，2009年获第五届“发明创业奖”特等奖，作为负责人带领宽禁带半导体材料研究与应用团队获2010年度“中国科学院先进集体”荣誉称号。

长期从事宽禁带半导体材料和新功能晶体材料探索方面的研究工作，先后主持国家863、973和国家科技支撑计划等23个科研项目，取得了多项研究成果。系统开展了碳化硅晶体生长的基础和应用开发研究工作，解决了多项关键科学问题和系列关键技术，生长出2-4英寸高质量晶体；攻克了晶体制备重复性和稳定性等关键工程化问题，在国内率先实现了碳化硅晶体的产业化，碳化硅系列晶片批量供应国内用户，并出口至欧美和日本等发达国家，打破了国外的长期垄断，为发展我国宽禁带半导体产业奠定了基础。发现了一系列新的功能晶体材料，包括新超导体K0.8Fe2Se2和具有潜在应用价值的闪烁晶体YBa3B9O18等，精确测定了新化合物的晶体结构，其中120个化合物的衍射数据被ICDD收录为标准衍射数据。申请发明专利45项，其中已授权16项。在国际学术期刊上发表论文301篇，共被引用2549次（h因子23）。

部分研究领域

SiC晶体生长和加工

SiC是重要的宽禁带半导体，具有高热导率、高击穿场强等特性和优势，是制作高温、高频、大功率、高压以及抗辐射电子器件的理想材料，在军工、航天、电力电子和固态照明等领域具有重要的应用，是当前全球半导体材料产业的前沿之一。

物理气相传输(PVT)法生长SiC晶体直到20世纪90年代才获得突破，主要原因在于其生长过程难以控制：(1)生长温度高达2200-2500℃，生长过程中温场易发生变化；(2)存在200多种晶型，且各晶型的生成自由能差别很小，生长过程中很容易相变；(3)晶体中很容易产生微管等缺陷，严重影响器件性能；(4)晶体生长过程中，气相成分不断变化，容易导致包裹物的形成。国际上只有少数机构掌握了PVT法生长SiC单晶的关键技术，并对我国实行严密的技术封锁。开展SiC晶体研究和产业化，对满足国家安全需求和推动我国高端微电子和光电子产业的发展具有重要意义。

研究组自1999年以来持续开展SiC晶体研究，解决了大尺寸SiC晶体生长的关键科学和技术问题，在SiC单晶制备领域取得了突破，主要成果如下：(1)研制出具有自主知识产权的SiC晶体生长炉，避免使用感应线圈和生长室之间的双层夹水石英管，提高了耦合效率，最高温度可达2600℃，可生长4英寸晶体，可实现压力的精确动态控制、坩埚的轴向运动和自转，设备整体性能与国外同类设备相当，但制造成本只有国外同类设备的1/8左右。(2)突破了SiC晶体微管密度控制、电阻率调控和化学机械抛光等关键技术，掌握了晶体生长和加工的核心技术，形成了一套从原料获得、晶体生长、加工、检测到清洗封装的技术路线，先后申请国家发明专利23项，其中4项已获得授权。(3)研制出了多种规格的高质量2-4英寸4H-SiC和6H-SiC导电和半绝缘晶片，75％晶片微管密度低于10个/cm2，95％晶片X-射线摇摆曲线半高宽小于30弧秒，半绝缘晶片的电阻率大于106Ω·cm，导电4H碳化硅晶片的电阻率控制在0.02Ω·cm以下，技术指标达到了国际同类产品的先进水平。(4)在国内率先实现了SiC晶体的产业化，2006年以3项发明专利作为无形资产入股成立了北京天科合达蓝光半导体有限公司，建立了完整的SiC晶体生长和加工线，克服了规模生产中晶体生长和加工的重复性和稳定性等工程问题，形成了年产3万片SiC晶片的产能。已向国内用户批量供应SiC晶片，打破了国外禁运，晶片产品还出口到欧、美、日等20多个国家和地区，产品具有很强的市场竞争力。

2-4英寸N型4H-SiC晶片

第三代晶体生长炉

SiC磁性起源研究

电子同时具有电荷和自旋两种属性，半导体器件利用了电子的电荷属性，大容量信息存储则是基于电子的自旋属性。稀磁半导体为我们提供了同时利用电子的电荷属性和自旋属性的机会，有望带来信息技术的重大变革。近年来，通过3d过渡族元素掺杂制备具有室温铁磁性宽禁带半导体的研究取得了很大的进展，但其磁性的起源一直存在争议。有些过渡族元素掺杂的宽禁带半导体的磁性被认为源于第二相或磁性元素在基体中的偏聚，而并非本征属性。近期，越来越多的证据表明磁性元素并不是导致本征磁性的唯一原因，缺陷在磁性引入中的作用逐渐被人们所认识。

研究组近年来一直致力于宽禁带半导体磁性起源问题的研究。前期的工作表明，仅考虑磁性元素Mn的掺杂不足以解释SiC:Mn所表现出的磁性[Appl.Phys.Lett.94,102508(2009)]。之后，通过掺杂非磁性元素Al在SiC中观察到了自旋玻璃特性[J.Am.Chem.Soc.131,1376(2009)]。X-射线衍射和Raman测试表明，获得的样品是结晶良好的4H-SiC单相。研究组与相关单位合作，对中子辐照SiC单晶的磁性开展了深入研究，从实验和理论上证明了双空位导致磁性，首次在实验上给出了直接证据，为通过缺陷工程调控宽禁带半导体的磁性提供了实验基础，相应结果发表在Phys.Rev.Lett.106,087205(2011)上。

SiC衬底上外延石墨烯及其性能研究

石墨烯是由单层sp2碳原子组成的六方点阵蜂巢状二维结构，是继碳纳米管、富勒烯之后的又一重大发现。石墨烯呈现出新奇的物理特性：载流子是一种相对论粒子，遵循狄拉克方程；零能隙，可以通过掺杂或几何构型调控使其表现为金属或半导体特性；奇特的量子霍尔效应，其室温载流子迁移率达到15000cm2 V-1 s-1，而且迁移率几乎与温度无关。对石墨烯本征特性的深入研究，有可能揭示新的物理现象并发现新的物理性质，并为验证一些物理规律提供实验载体和途径。相关研究结果对凝聚态物理的发展具有深远意义，并可能蕴含重大应用前景。

自2009年以来，研究组开展了在SiC衬底上生长石墨烯材料及其特性的研究，发展了两种在SiC衬底上生长石墨烯的新技术(已申请国家发明专利3项)，并对所制备石墨烯的物理特性(结构特征、应变、均匀性、非谐声子效应和场发射等)进行了研究，取得了初步的结果。