從“開盲盒”闖進“無人區”，一塊“超級芯片”的20年破壁路

什么是碳化硅？也許你對這個名詞感到陌生，但它其實早已融入我們的日常生活。我們每天都能看到的新能源汽車，其更長的續航里程、更短的充電時間，都離不開一種“超級芯片”——碳化硅（SiC）功率器件。

以特斯拉為例，它率先在Model 3的逆變器中用碳化硅模塊替換了傳統的硅基IGBT，使逆變器效率從82%提升至90%，將整車電能損耗降低了5%以上，顯著增加了續航里程。

憑借巨大的物理性能優勢，碳化硅作為提升能源轉換效率的關鍵材料，成為了新能源汽車、光伏發電、5G通信等前沿產業的“心臟”。但如此重要的材料，卻一度被國外壟斷。

作為后來者的我們，如何走出一條自主的碳化硅之路？請隨中國科協之聲一起，走近中國科學院物理研究所研究員陳小龍，看他如何從“開盲盒”闖進“無人區”，用20年闖出一條“破壁路”。

人物簡介

陳小龍，中國科學院物理研究所研究員，博士生導師，中國科學院院士。

陳小龍長期從事功能晶體材料研究工作，帶領團隊歷經20余年，成功攻克了晶體擴徑這一公認的技術難題；他在國內最早開展成果轉化，創建了國內第一家碳化硅晶體產業化公司，實現了我國碳化硅晶體生長和加工技術從0到1，產品從無到有、從有到優；突破了國外對我國碳化硅晶體生長和加工技術的長期封鎖，帶動了我國碳化硅材料、器件和模塊產業鏈的快速發展。

“開盲盒”式的拓荒：從零到一的20年

故事要從1997年開始講起。當時的物理所所長從美國帶回一塊指甲蓋大小（約5×5毫米）的碳化硅晶體，并告訴陳小龍：“這個東西性質非常好，但是我們沒有。”這深深刺痛了陳小龍。

碳化硅是一種性能遠超傳統硅（Si）的“寬禁帶”半導體材料。如果把半導體材料想象成一條跑道，電子是運動員，“禁帶寬度”就像是跑道上的欄桿高度。傳統硅材料的“欄桿”較低，電子在高溫或高電壓下容易“跳”過欄桿，導致能量損失和性能下降。而碳化硅的“欄桿”高度（禁帶寬度）是硅的近3倍，這意味著它能承受更高的電壓和溫度，電子在“賽跑”時也更不容易“犯規”出界。

這些物理性能的巨大優勢，讓碳化硅成為賦能多個高新產業的理想選擇。正是因為其巨大的戰略價值，碳化硅的單晶生長技術長期以來都是少數發達國家嚴密守護的核心機密，這對當時的中國形成了一道難以逾越的技術壁壘。

彼時，美國已實現2英寸晶體的商業化，而國內研究幾乎一片空白。強烈的使命感驅使他接手晶體生長組，向這個在國內無人問津的“冷門”領域進軍。

科研的起步，堪稱一場真正的“拓荒”。“原理我們清楚，但是基本規律和技術細節一概不知。”陳小龍回憶。團隊當時只有五六個人，沒有現成的設備，只能自己動手改造一臺舊的石墨加熱爐，使其勉強滿足晶體生長所需的超過2300℃的高溫和近乎真空的苛刻條件。

陳小龍在檢驗實驗結果。（受訪者提供）

早期的晶體生長過程，被陳小龍形容為“開盲盒”。每一次實驗，都需要將原料和籽晶放入密閉的生長爐中，經過長達一周的漫長等待。在此期間，爐內發生的一切完全未知。當爐子冷卻、打開爐蓋“開獎”時，失敗是家常便飯——有時是一堆無用的石墨化粉末，有時晶體布滿缺陷，毫無價值。

在無數次的失敗中，一種名為“微管”的缺陷成為了最大的攔路虎。這是一種貫穿晶體的空心管道，哪怕只有一個，也足以毀掉一整顆芯片。研究初期，生長出的晶體中，微管密度一度高達每平方厘米上百個，完全不具備應用價值。國外文獻對此眾說紛紜，莫衷一是。

面對困境，陳小龍沒有盲目重復實驗，而是回歸基礎。關鍵時刻，一項來自國家自然科學基金的重點項目給予了雪中送炭般的支持。在基金的支持下，他帶領團隊系統研究微管的形成機理。通過上千次實驗和細致分析，他們最終找到了問題的根源，并提出了一套獨特的缺陷抑制方法，成功將微管缺陷密度降低至每平方厘米0.5個以下，達到了國際領先水平，為制備高質量晶片掃清了最關鍵的障礙。

解決了微管問題后，團隊向著更大尺寸的晶體發起沖擊。但隨著晶體從2英寸、4英寸向6英寸、8英寸不斷擴大，新的挑戰接踵而至——晶體尺寸越大，生長過程中產生的熱應力就越大，這使得晶體在冷卻過程中極易突然開裂，功虧一簣。

“每一塊裂了都非常痛心，動輒就是幾萬塊錢的損失。”陳小龍回憶。在累計裂了上百塊晶片后，巨大的成本壓力和技術瓶頸讓整個團隊備受煎熬。陳小龍回憶，那段時間大家“開爐時甚至會戰戰兢兢”。

為了打破僵局，陳小龍提出了一個“反直覺”的大膽想法：既然常規的降溫退火無法消除應力，何不反其道而行之，在生長過程中就主動調控應力分布？順著這一思路，團隊創造性地采用了一種獨特的溫度場控制策略，成功在晶體內部形成了良性應力分布，一舉解決了困擾許久的開裂難題。

從“書架”到“貨架”：打破壟斷的產業化之路

2006年，在完全掌握2英寸晶體的全套技術后，陳小龍面臨一個更重要的問題：如何將實驗室“書架”上的成果，真正搬上服務國家戰略需求的“貨架”產品？

懷著這份責任感，陳小龍牽頭創辦了國內第一家專注于碳化硅晶片產業化的公司——北京天科合達半導體股份有限公司。從科學家到企業家的角色轉變遠比想象中困難。公司成立后，經歷了長達十年的“蟄伏期”，直到2016年前后，隨著新能源汽車產業的爆發，碳化硅一夜之間成為“寵兒”，天科合達才厚積薄發，憑借其過硬的技術和產品質量，迅速抓住市場機遇。

陳小龍工作照。（受訪者提供）

如今，天科合達已成為國內碳化硅襯底市場的領軍企業，其導電晶片市場占有率國內第一、全球第二，產品出口至歐美日等20多個國家和地區。碳化硅晶體的國產化，不僅滿足了國家重大需求，更帶動了下游20余家企業進入器件、封裝和模塊產業，促使國內形成了完整的碳化硅半導體產業鏈。

“經過多年的努力，外國已經‘卡’不住我們的脖子了。”陳小龍欣慰地說。

永不止步：從“跟跑”到“領跑”

在推動碳化硅產業化的同時，陳小龍并未停止探索的腳步。他致力于持續提升晶體質量，降低成本，讓這種高性能材料能夠應用到更廣泛的領域，助力國家“雙碳”目標的實現。為此，他將目光投向了性能潛力更大、但生長難度也更大的立方碳化硅（3C-SiC）。

歐洲曾集結7國14個團隊聯合攻關，也未能解決其生長過程中的相變和開裂難題。自2016年起，陳小龍帶領團隊另辟蹊徑，開始研究高溫液相法生長碳化硅晶體的技術，在國際上首次生長出具有產業化價值的2-6英寸立方碳化硅晶體，并制備出國際領先的大尺寸p型4H碳化硅晶體。他所開辟的立方碳化硅和p型4H碳化硅晶體新賽道，有望在下一代高性能器件上實現突破，使中國從“跟跑者”變成“領跑者”。

陳小龍工作照。（受訪者提供）

從懷揣科學夢想的少年，到如今中國新材料領域的領軍人物，陳小龍用二十余年的堅守，詮釋了永不放棄的科學家精神。他的故事，是中國科學家自立自強、勇于創新的生動寫照，也激勵著更多后繼者，為建設世界科技強國貢獻力量。

科技答卷人

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