從“開盲盒”闖進(jìn)“無人區(qū)”，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(xù)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(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，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(xié)之聲一起，走近中國科學(xué)院物理研究所研究員陳小龍，看他如何從“開盲盒”闖進(jìn)“無人區(qū)”，用20年闖出一條“破壁路”。

人物簡介

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

陳小龍長期從事功能晶體材料研究工作，帶領(lǐng)團(tuán)隊歷經(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；他在國內(nèi)最早開展成果轉(zhuǎn)化，創(chuàng)建了國內(nèi)第一家碳化硅晶體產(chǎn)業(yè)化公司，實現(xiàn)了我國碳化硅晶體生長和加工技術(shù)從0到1，產(chǎn)品從無到有、從有到優(yōu)；突破了國外對我國碳化硅晶體生長和加工技術(shù)的長期封鎖，帶動了我國碳化硅材料、器件和模塊產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)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(dāng)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(zhì)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(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”時也更不容易“犯規(guī)”出界。

這些物理性能的巨大優(yōu)勢，讓碳化硅成為賦能多個高新產(chǎn)業(yè)的理想選擇。正是因為其巨大的戰(zhàn)略價值，碳化硅的單晶生長技術(shù)長期以來都是少數(shù)發(fā)達(dá)國家嚴(yán)密守護(hù)的核心機(jī)密，這對當(dāng)時的中國形成了一道難以逾越的技術(shù)壁壘。

彼時，美國已實現(xiàn)2英寸晶體的商業(yè)化，而國內(nèi)研究幾乎一片空白。強(qiáng)烈的使命感驅(qū)使他接手晶體生長組，向這個在國內(nèi)無人問津的“冷門”領(lǐng)域進(jìn)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(guī)律和技術(shù)細(xì)節(jié)一概不知。”陳小龍回憶。團(tuán)隊當(dāng)時只有五六個人，沒有現(xiàn)成的設(shè)備，只能自己動手改造一臺舊的石墨加熱爐，使其勉強(qiáng)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(jié)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(jīng)過長達(dá)一周的漫長等待。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(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，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(dá)每平方厘米上百個，完全不具備應(yīng)用價值。國外文獻(xiàn)對此眾說紛紜，莫衷一是。

面對困境，陳小龍沒有盲目重復(fù)實驗，而是回歸基礎(chǔ)。關(guān)鍵時刻，一項來自國家自然科學(xué)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(lǐng)團(tuán)隊系統(tǒng)研究微管的形成機(jī)理。通過上千次實驗和細(xì)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(dá)到了國際領(lǐng)先水平，為制備高質(zhì)量晶片掃清了最關(guān)鍵的障礙。

解決了微管問題后，團(tuán)隊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，生長過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)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(shù)瓶頸讓整個團(tuán)隊備受煎熬。陳小龍回憶，那段時間大家“開爐時甚至?xí)?zhàn)戰(zhàn)兢兢”。

為了打破僵局，陳小龍?zhí)岢隽艘粋€“反直覺”的大膽想法：既然常規(guī)的降溫退火無法消除應(yīng)力，何不反其道而行之，在生長過程中就主動調(diào)控應(yīng)力分布？順著這一思路，團(tuán)隊創(chuàng)造性地采用了一種獨特的溫度場控制策略，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裂難題。

從“書架”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，陳小龍面臨一個更重要的問題：如何將實驗室“書架”上的成果，真正搬上服務(wù)國家戰(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)，憑借其過硬的技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量，迅速抓住市場機(jī)遇。

陳小龍工作照。（受訪者提供）

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

“經(jīng)過多年的努力，外國已經(jīng)‘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(lǐng)跑”

在推動碳化硅產(chǎn)業(yè)化的同時，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，助力國家“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。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(jié)7國14個團(tuán)隊聯(lián)合攻關(guān)，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(lǐng)團(tuán)隊另辟蹊徑，開始研究高溫液相法生長碳化硅晶體的技術(shù)，在國際上首次生長出具有產(chǎn)業(yè)化價值的2-6英寸立方碳化硅晶體，并制備出國際領(lǐng)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(xiàn)突破，使中國從“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)夢想的少年，到如今中國新材料領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，陳小龍用二十余年的堅守，詮釋了永不放棄的科學(xué)家精神。他的故事，是中國科學(xué)家自立自強(qiáng)、勇于創(chuàng)新的生動寫照，也激勵著更多后繼者，為建設(shè)世界科技強(qiáng)國貢獻(xiàn)力量。

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