什么是碳化硅？也許你對(duì)這個(gè)名詞感到陌生，但它其實(shí)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(zhǎng)的續(xù)航里程、更短的充電時(shí)間，都離不開(kāi)一種“超級(jí)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(tǒng)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(xù)航里程。

憑借巨大的物理性能優(yōu)勢(shì)，碳化硅作為提升能源轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵材料，成為了新能源汽車、光伏發(fā)電、5G通信等前沿產(chǎn)業(yè)的“心臟”。但如此重要的材料，卻一度被國(guó)外壟斷。

作為后來(lái)者的我們，如何走出一條自主的碳化硅之路？請(qǐng)隨中國(guó)科協(xié)之聲一起，走近中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員陳小龍，看他如何從“開(kāi)盲盒”闖進(jìn)“無(wú)人區(qū)”，用20年闖出一條“破壁路”。

人物簡(jiǎn)介

陳小龍，中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院院士。

陳小龍長(zhǎng)期從事功能晶體材料研究工作，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)20余年，成功攻克了晶體擴(kuò)徑這一公認(rèn)的技術(shù)難題；他在國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展成果轉(zhuǎn)化，創(chuàng)建了國(guó)內(nèi)第一家碳化硅晶體產(chǎn)業(yè)化公司，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)碳化硅晶體生長(zhǎng)和加工技術(shù)從0到1，產(chǎn)品從無(wú)到有、從有到優(yōu)；突破了國(guó)外對(duì)我國(guó)碳化硅晶體生長(zhǎng)和加工技術(shù)的長(zhǎng)期封鎖，帶動(dòng)了我國(guó)碳化硅材料、器件和模塊產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展。

“開(kāi)盲盒”式的拓荒：從零到一的20年

故事要從1997年開(kāi)始講起。當(dāng)時(shí)的物理所所長(zhǎng)從美國(guó)帶回一塊指甲蓋大?。s5×5毫米）的碳化硅晶體，并告訴陳小龍：“這個(gè)東西性質(zhì)非常好，但是我們沒(méi)有?！边@深深刺痛了陳小龍。

碳化硅是一種性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)硅（Si）的“寬禁帶”半導(dǎo)體材料。如果把半導(dǎo)體材料想象成一條跑道，電子是運(yùn)動(dòng)員，“禁帶寬度”就像是跑道上的欄桿高度。傳統(tǒng)硅材料的“欄桿”較低，電子在高溫或高電壓下容易“跳”過(guò)欄桿，導(dǎo)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(shí)也更不容易“犯規(guī)”出界。

這些物理性能的巨大優(yōu)勢(shì)，讓碳化硅成為賦能多個(gè)高新產(chǎn)業(yè)的理想選擇。正是因?yàn)槠渚薮蟮膽?zhàn)略價(jià)值，碳化硅的單晶生長(zhǎng)技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)都是少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家嚴(yán)密守護(hù)的核心機(jī)密，這對(duì)當(dāng)時(shí)的中國(guó)形成了一道難以逾越的技術(shù)壁壘。

彼時(shí)，美國(guó)已實(shí)現(xiàn)2英寸晶體的商業(yè)化，而國(guó)內(nèi)研究幾乎一片空白。強(qiáng)烈的使命感驅(qū)使他接手晶體生長(zhǎng)組，向這個(gè)在國(guó)內(nèi)無(wú)人問(wèn)津的“冷門(mén)”領(lǐng)域進(jìn)軍。

科研的起步，堪稱一場(chǎng)真正的“拓荒”?！霸砦覀兦宄?，但是基本規(guī)律和技術(shù)細(xì)節(jié)一概不知?！标愋↓埢貞?。團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)只有五六個(gè)人，沒(méi)有現(xiàn)成的設(shè)備，只能自己動(dòng)手改造一臺(tái)舊的石墨加熱爐，使其勉強(qiáng)滿足晶體生長(zhǎng)所需的超過(guò)2300℃的高溫和近乎真空的苛刻條件。

陳小龍?jiān)跈z驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（受訪者提供）

早期的晶體生長(zhǎng)過(guò)程，被陳小龍形容為“開(kāi)盲盒”。每一次實(shí)驗(yàn)，都需要將原料和籽晶放入密閉的生長(zhǎng)爐中，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)一周的漫長(zhǎng)等待。在此期間，爐內(nèi)發(fā)生的一切完全未知。當(dāng)爐子冷卻、打開(kāi)爐蓋“開(kāi)獎(jiǎng)”時(shí)，失敗是家常便飯——有時(shí)是一堆無(wú)用的石墨化粉末，有時(shí)晶體布滿缺陷，毫無(wú)價(jià)值。

在無(wú)數(shù)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(gè)，也足以毀掉一整顆芯片。研究初期，生長(zhǎng)出的晶體中，微管密度一度高達(dá)每平方厘米上百個(gè)，完全不具備應(yīng)用價(jià)值。國(guó)外文獻(xiàn)對(duì)此眾說(shuō)紛紜，莫衷一是。

面對(duì)困境，陳小龍沒(méi)有盲目重復(fù)實(shí)驗(yàn)，而是回歸基礎(chǔ)。關(guān)鍵時(shí)刻，一項(xiàng)來(lái)自國(guó)家自然科學(xué)基金的重點(diǎn)項(xiàng)目給予了雪中送炭般的支持。在基金的支持下，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究微管的形成機(jī)理。通過(guò)上千次實(shí)驗(yàn)和細(xì)致分析，他們最終找到了問(wèn)題的根源，并提出了一套獨(dú)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(gè)以下，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，為制備高質(zhì)量晶片掃清了最關(guān)鍵的障礙。

解決了微管問(wèn)題后，團(tuán)隊(duì)向著更大尺寸的晶體發(fā)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(kuò)大，新的挑戰(zhàn)接踵而至——晶體尺寸越大，生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力就越大，這使得晶體在冷卻過(guò)程中極易突然開(kāi)裂，功虧一簣。

“每一塊裂了都非常痛心，動(dòng)輒就是幾萬(wàn)塊錢的損失?！标愋↓埢貞洝Ｔ诶塾?jì)裂了上百塊晶片后，巨大的成本壓力和技術(shù)瓶頸讓整個(gè)團(tuán)隊(duì)備受煎熬。陳小龍回憶，那段時(shí)間大家“開(kāi)爐時(shí)甚至?xí)?zhàn)戰(zhàn)兢兢”。

為了打破僵局，陳小龍?zhí)岢隽艘粋€(gè)“反直覺(jué)”的大膽想法：既然常規(guī)的降溫退火無(wú)法消除應(yīng)力，何不反其道而行之，在生長(zhǎng)過(guò)程中就主動(dòng)調(diào)控應(yīng)力分布？順著這一思路，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地采用了一種獨(dú)特的溫度場(chǎng)控制策略，成功在晶體內(nèi)部形成了良性應(yīng)力分布，一舉解決了困擾許久的開(kāi)裂難題。

從“書(shū)架”到“貨架”：打破壟斷的產(chǎn)業(yè)化之路

2006年，在完全掌握2英寸晶體的全套技術(shù)后，陳小龍面臨一個(gè)更重要的問(wèn)題：如何將實(shí)驗(yàn)室“書(shū)架”上的成果，真正搬上服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略需求的“貨架”產(chǎn)品？

懷著這份責(zé)任感，陳小龍牽頭創(chuàng)辦了國(guó)內(nèi)第一家專注于碳化硅晶片產(chǎn)業(yè)化的公司——北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司。從科學(xué)家到企業(yè)家的角色轉(zhuǎn)變遠(yuǎn)比想象中困難。公司成立后，經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)十年的“蟄伏期”，直到2016年前后，隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)，碳化硅一夜之間成為“寵兒”，天科合達(dá)才厚積薄發(fā)，憑借其過(guò)硬的技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量，迅速抓住市場(chǎng)機(jī)遇。

陳小龍工作照。（受訪者提供）

如今，天科合達(dá)已成為國(guó)內(nèi)碳化硅襯底市場(chǎng)的領(lǐng)軍企業(yè)，其導(dǎo)電晶片市場(chǎng)占有率國(guó)內(nèi)第一、全球第二，產(chǎn)品出口至歐美日等20多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。碳化硅晶體的國(guó)產(chǎn)化，不僅滿足了國(guó)家重大需求，更帶動(dòng)了下游20余家企業(yè)進(jìn)入器件、封裝和模塊產(chǎn)業(yè)，促使國(guó)內(nèi)形成了完整的碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈。

“經(jīng)過(guò)多年的努力，外國(guó)已經(jīng)‘卡’不住我們的脖子了。”陳小龍欣慰地說(shuō)。

永不止步：從“跟跑”到“領(lǐng)跑”

在推動(dòng)碳化硅產(chǎn)業(yè)化的同時(shí)，陳小龍并未停止探索的腳步。他致力于持續(xù)提升晶體質(zhì)量，降低成本，讓這種高性能材料能夠應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域，助力國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。為此，他將目光投向了性能潛力更大、但生長(zhǎng)難度也更大的立方碳化硅（3C-SiC）。

歐洲曾集結(jié)7國(guó)14個(gè)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)，也未能解決其生長(zhǎng)過(guò)程中的相變和開(kāi)裂難題。自2016年起，陳小龍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，開(kāi)始研究高溫液相法生長(zhǎng)碳化硅晶體的技術(shù)，在國(guó)際上首次生長(zhǎng)出具有產(chǎn)業(yè)化價(jià)值的2-6英寸立方碳化硅晶體，并制備出國(guó)際領(lǐng)先的大尺寸p型4H碳化硅晶體。他所開(kāi)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(shí)現(xiàn)突破，使中國(guó)從“跟跑者”變成“領(lǐng)跑者”。

陳小龍工作照。（受訪者提供）

從懷揣科學(xué)夢(mèng)想的少年，到如今中國(guó)新材料領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，陳小龍用二十余年的堅(jiān)守，詮釋了永不放棄的科學(xué)家精神。他的故事，是中國(guó)科學(xué)家自立自強(qiáng)、勇于創(chuàng)新的生動(dòng)寫(xiě)照，也激勵(lì)著更多后繼者，為建設(shè)世界科技強(qiáng)國(guó)貢獻(xiàn)力量。

科技答卷人

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