从“开盲盒”闯进“无人区”，一块“超级芯片”的20年破壁路|单晶|无人区|晶体|盲盒|石墨|碳化硅

什么是碳化硅？也许你对这个名词感到陌生，但它其实早已融入我们的日常生活。我们每天都能看到的新能源汽车，其更长的续航里程、更短的充电时间，都离不开一种“超级芯片”——碳化硅（SiC）功率器件。

以特斯拉为例，它率先在Model 3的逆变器中用碳化硅模块替换了传统的硅基IGBT，使逆变器效率从82%提升至90%，将整车电能损耗降低了5%以上，显著增加了续航里程。

凭借巨大的物理性能优势，碳化硅作为提升能源转换效率的关键材料，成为了新能源汽车、光伏发电、5G通信等前沿产业的“心脏”。但如此重要的材料，却一度被国外垄断。

作为后来者的我们，如何走出一条自主的碳化硅之路？请随中国科协之声一起，走近中国科学院物理研究所研究员陈小龙，看他如何从“开盲盒”闯进“无人区”，用20年闯出一条“破壁路”。

人物简介

陈小龙，中国科学院物理研究所研究员，博士生导师，中国科学院院士。

陈小龙长期从事功能晶体材料研究工作，带领团队历经20余年，成功攻克了晶体扩径这一公认的技术难题；他在国内最早开展成果转化，创建了国内第一家碳化硅晶体产业化公司，实现了我国碳化硅晶体生长和加工技术从0到1，产品从无到有、从有到优；突破了国外对我国碳化硅晶体生长和加工技术的长期封锁，带动了我国碳化硅材料、器件和模块产业链的快速发展。

“开盲盒”式的拓荒：从零到一的20年

故事要从1997年开始讲起。当时的物理所所长从美国带回一块指甲盖大小（约5×5毫米）的碳化硅晶体，并告诉陈小龙：“这个东西性质非常好，但是我们没有。”这深深刺痛了陈小龙。

碳化硅是一种性能远超传统硅（Si）的“宽禁带”半导体材料。如果把半导体材料想象成一条跑道，电子是运动员，“禁带宽度”就像是跑道上的栏杆高度。传统硅材料的“栏杆”较低，电子在高温或高电压下容易“跳”过栏杆，导致能量损失和性能下降。而碳化硅的“栏杆”高度（禁带宽度）是硅的近3倍，这意味着它能承受更高的电压和温度，电子在“赛跑”时也更不容易“犯规”出界。

这些物理性能的巨大优势，让碳化硅成为赋能多个高新产业的理想选择。正是因为其巨大的战略价值，碳化硅的单晶生长技术长期以来都是少数发达国家严密守护的核心机密，这对当时的中国形成了一道难以逾越的技术壁垒。

彼时，美国已实现2英寸晶体的商业化，而国内研究几乎一片空白。强烈的使命感驱使他接手晶体生长组，向这个在国内无人问津的“冷门”领域进军。

科研的起步，堪称一场真正的“拓荒”。“原理我们清楚，但是基本规律和技术细节一概不知。”陈小龙回忆。团队当时只有五六个人，没有现成的设备，只能自己动手改造一台旧的石墨加热炉，使其勉强满足晶体生长所需的超过2300℃的高温和近乎真空的苛刻条件。

早期的晶体生长过程，被陈小龙形容为“开盲盒”。每一次实验，都需要将原料和籽晶放入密闭的生长炉中，经过长达一周的漫长等待。在此期间，炉内发生的一切完全未知。当炉子冷却、打开炉盖“开奖”时，失败是家常便饭——有时是一堆无用的石墨化粉末，有时晶体布满缺陷，毫无价值。

在无数次的失败中，一种名为“微管”的缺陷成为了最大的拦路虎。这是一种贯穿晶体的空心管道，哪怕只有一个，也足以毁掉一整颗芯片。研究初期，生长出的晶体中，微管密度一度高达每平方厘米上百个，完全不具备应用价值。国外文献对此众说纷纭，莫衷一是。

面对困境，陈小龙没有盲目重复实验，而是回归基础。关键时刻，一项来自国家自然科学基金的重点项目给予了雪中送炭般的支持。在基金的支持下，他带领团队系统研究微管的形成机理。通过上千次实验和细致分析，他们最终找到了问题的根源，并提出了一套独特的缺陷抑制方法，成功将微管缺陷密度降低至每平方厘米0.5个以下，达到了国际领先水平，为制备高质量晶片扫清了最关键的障碍。

解决了微管问题后，团队向着更大尺寸的晶体发起冲击。但随着晶体从2英寸、4英寸向6英寸、8英寸不断扩大，新的挑战接踵而至——晶体尺寸越大，生长过程中产生的热应力就越大，这使得晶体在冷却过程中极易突然开裂，功亏一篑。

“每一块裂了都非常痛心，动辄就是几万块钱的损失。”陈小龙回忆。在累计裂了上百块晶片后，巨大的成本压力和技术瓶颈让整个团队备受煎熬。陈小龙回忆，那段时间大家“开炉时甚至会战战兢兢”。

为了打破僵局，陈小龙提出了一个“反直觉”的大胆想法：既然常规的降温退火无法消除应力，何不反其道而行之，在生长过程中就主动调控应力分布？顺着这一思路，团队创造性地采用了一种独特的温度场控制策略，成功在晶体内部形成了良性应力分布，一举解决了困扰许久的开裂难题。

从“书架”到“货架”：打破垄断的产业化之路

2006年，在完全掌握2英寸晶体的全套技术后，陈小龙面临一个更重要的问题：如何将实验室“书架”上的成果，真正搬上服务国家战略需求的“货架”产品？

怀着这份责任感，陈小龙牵头创办了国内第一家专注于碳化硅晶片产业化的公司——北京天科合达半导体股份有限公司。从科学家到企业家的角色转变远比想象中困难。公司成立后，经历了长达十年的“蛰伏期”，直到2016年前后，随着新能源汽车产业的爆发，碳化硅一夜之间成为“宠儿”，天科合达才厚积薄发，凭借其过硬的技术和产品质量，迅速抓住市场机遇。

如今，天科合达已成为国内碳化硅衬底市场的领军企业，其导电晶片市场占有率国内第一、全球第二，产品出口至欧美日等20多个国家和地区。碳化硅晶体的国产化，不仅满足了国家重大需求，更带动了下游20余家企业进入器件、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。

“经过多年的努力，外国已经‘卡’不住我们的脖子了。”陈小龙欣慰地说。

永不止步：从“跟跑”到“领跑”

在推动碳化硅产业化的同时，陈小龙并未停止探索的脚步。他致力于持续提升晶体质量，降低成本，让这种高性能材料能够应用到更广泛的领域，助力国家“双碳”目标的实现。为此，他将目光投向了性能潜力更大、但生长难度也更大的立方碳化硅（3C-SiC）。

欧洲曾集结7国14个团队联合攻关，也未能解决其生长过程中的相变和开裂难题。自2016年起，陈小龙带领团队另辟蹊径，开始研究高温液相法生长碳化硅晶体的技术，在国际上首次生长出具有产业化价值的2-6英寸立方碳化硅晶体，并制备出国际领先的大尺寸p型4H碳化硅晶体。他所开辟的立方碳化硅和p型4H碳化硅晶体新赛道，有望在下一代高性能器件上实现突破，使中国从“跟跑者”变成“领跑者”。