超越美国老牌巨头！中国碳化硅20年突围记

1990 年代末，中国科学院物理研究所的一间实验室里，陈小龙团队正守在一台外形笨拙的生长炉旁边。

这台炉子不是买来的，是他们自己画图纸、找厂家一件件定制出来的——因为当时市面上根本买不到合适的设备，因为卖家不卖，或者根本没人做。

他们在等待的东西，叫做碳化硅（SiC）单晶。

炉子里的温度超过 2000℃。没有任何光学仪器能看进去，没有摄像头，没有窗口，什么都看不见。晶体就在那个密封的石墨坩埚里，在完全的黑暗和高温中，按照自己的节奏生长——或者不生长。一周后，等炉子冷却，打开，才能知道结果。

打开之后，是裂缝。一周的时间、昂贵的材料、无数次调试的参数，全部作废。然后，他们重新开始。

这一幕，在那间实验室里，发生了一次又一次。业内后来把这种工作叫做“在 2000℃ 的黑匣子里蒙眼绣花”——温度稍有偏差，震动稍有起伏，长出来的晶体就会布满缺陷，一切归零。

陈小龙（前）和团队在做实验（非90年代） | 中国科学院物理研究所

而那时候，美国和日本的企业早已把这项技术牢牢握在手里——技术封锁，不卖设备，连生长晶体所需要的最初“引子”——籽晶——都买不到。没有籽晶，他们就从头熬。熬出了第一颗，只有指甲盖大小，但那是他们自己的。

这是中国碳化硅故事的起点。

这块材料，凭什么值得拼命？

想象你开着一辆新能源车，插上充电枪，5 分钟后显示续航增加了 200 公里。这背后发生了什么？

充电桩在极短时间内把大量电能塞进电池，电压高达 800 伏，电流大、速度快、热量猛。普通的硅基芯片在这种条件下扛不住：要么损耗太大，要么直接崩溃。而碳化硅芯片，就是让这件事成为可能的关键部件。

8 英寸 SiC 晶体和晶片 | 中国科学院物理研究所

碳化硅被称为第三代半导体核心材料。比起我们熟悉的硅（手机、电脑芯片的主材），它有一些至关重要的物理特质可以保障在极端环境下正常使用。

1、扛得住高压

通常来说，材料的“禁带宽度”决定了它能承受多高的电压。可以把它理解成一道坝：坝越高，能拦住的洪峰越大。

硅的“坝”比较矮，电压稍高就容易“漏电”甚至崩溃；碳化硅的禁带宽度是硅的 3 倍，相当于把大坝加高至了三倍，能稳稳扛住数千伏的工作电压而不出问题。这让它成为了高压电力系统的理想选择。

2、不怕热

芯片在工作时会发热，过热就会损坏。碳化硅的导热能力是硅的 3.3 倍，散热效率极高，相当于芯片自带“大功率风扇”，即便在极端高温下也能稳定运转。这让设备不需要笨重的散热装置，体积得以大幅缩小。

扛高压、不怕热，且损耗还低——业界称之为“六边形战士”。正因如此，凡是需要在极端条件下高效处理电能的场景，碳化硅都是无可替代的核心：新能源汽车、5G 通信基站、光伏电站、雷达系统……每一个都是万亿级的赛道。

所以，谁掌握了碳化硅，谁就掌握了这场能源革命的入口。而在相当长的时间里，这个入口，掌握在别人手里。

“黑匣子”里的二十年 

碳化硅的制造，从一块晶锭开始。

普通的硅晶体，在约 1400℃ 时融化，拉出晶棒，相对直接。碳化硅则完全不同——它在常压下根本没有液态，温度升到 2600℃ 会直接从固体变成气体，跳过了液态这个环节。

这意味着科学家必须用一种极其反直觉的方式来“种”晶体：把碳化硅粉末加热到 2000℃ 以上，让它变成气体，再让气体在温度稍低的“籽晶”表面重新凝结、结晶，一层一层地堆出一块完整的单晶。

这个过程在一个密封的石墨坩埚里进行，从外面什么也看不见。几度的温差、一点点震动，都会让晶体内部产生缺陷，整批作废。这就是“蒙眼绣花”的真实含义：在完全的黑暗里，凭借经验和仪器的间接读数，极其精细地控制一个谁也看不见的过程。

陈小龙团队从 1990 年代末开始干这件事的时候，美日企业已经在这条路上走了十几年，专利壁垒密不透风。中国团队能买到的东西极其有限，很多时候根本什么都买不到。设备要自己造，籽晶要自己熬，连可以参考的文献都少得可怜。

就这样熬出了第一颗指甲盖大小的晶体，然后是更大的，然后开始切片、做成衬底，再往下做器件、做模块、做产品。

主题：碳化硅|晶体|中国科学院物理研究所