走进国自然项目
碳化硅作为第三代半导体材料的典型代表，被广泛应用于新能源汽车、高铁、特高压输变电、5G网络基础设施等国家战略产业，但材料的位错问题却影响着晶体性能。目前，碳化硅的整体良品率一直徘徊在40-50%，低于硅基半导体晶片的良品率。
上一期推文中，我们为大家科普了什么是位错，并介绍了微观尺度上降低位错缺陷的研究，那么有没有可能在宏观物理尺度也降低位错出现的概率呢？这就是浙江大学杭州国际科创中心（简称科创中心）青年PI韩学峰的研究内容。
三天三夜，上千摄氏度的单晶生长炉里，忽明忽暗。一堆源粉升华成了气体又凝华成了固体，一块碳化硅单晶就此诞生。这就是目前碳化硅大规模生产中最成熟的技术——物理气相传输（PVT）法。
因为无法直接测量晶体生长过程中的温度以及晶体生长形态，我们很难得知，从源粉到晶体长成的过程中，温度、气压、热场设计等诸多宏观物理因素，与晶体生长中出现位错等微观缺陷之间到底有什么精准的关联。
“这就像是煮米饭，虽然都是一把生米放进去，但水的多少，温度的高低，对最后做出来的熟米饭口感都有直接影响。”韩学峰打了个比方说，传统的测量方式难以知道宏观实验参数与晶体缺陷之间的关联，而且就算知道，也难以精确到具体数字，方便科研人员进行精准调控。
韩学峰说，目前碳化硅的主流尺寸是4-6英寸，未来8英寸也会逐步成为市场的重要组成部分，尺寸越大，位错出现的概率往往也会更高 ，所以如何在生长、切割、精磨、抛光等过程中，尽可能减少位错，研制出大尺寸、高质量的碳化硅晶体是社会的迫切需求。
“我的方法主要是通过计算机模拟手段，依托人工智能等信息技术去模拟真实实验场景，把宏观的实验操作物理量和微观的缺陷联系起来”，韩学峰介绍道。
在这个过程中，韩学峰就像扮演了“预言家”的角色，通过算法提前预测长出晶体形状以及可能出现的位错，实现全流程把控，从而减少可能出现的缺陷。
“有了计算机手段作为辅助，我们就可以提前预测可能出现的问题。比如，我们可以通过模拟实验，提前知道在不同的温度和气压下，碳化硅材料生长时，会出现什么样的情况。有了这些预测，我们就能够根据自己需要的的晶体，去设置好精准条件，减少不必要的耗材，从而实现降本增效。”韩学峰介绍道。
通过实验真实数据和模拟仿真数据的对比，韩学峰和团队成员发现，目前，计算机上模拟跑出来的结果和真实实验结果基本保持了一致，团队的技术水平已经可以支撑研究PVT法生长过程中温度、压力等宏观物理量对碳化硅缺陷的影响机理，探索降低晶体缺陷的工艺。
所以，韩学峰本次申报的课题就是采用微观宏观计算相耦合、机器学习以辅助的方法，深入研究PVT法中传热传质现象，考察温度、气压等宏观物理量对碳化硅晶体缺陷的影响。
韩学峰告诉我们，计算机技术辅助材料生长，其实在海外的应用已经比较普遍了，他们也希望通过自己的尝试，可以让新技术为突破晶体尺寸技术瓶颈、打破国外半导体材料垄断提供科学理论依据，从而实现半导体材料的“换道超车”。
有人研究宏观尺度上的缺陷，有人研究微观尺度上的位错，取长补短、交叉创新的布局并非巧合，而是来自科创中心的精心设计，推进“有组织科研”，集智攻关，发挥大兵团作战优势，我们期待在更多领域作出科创贡献。
