在二十世纪九十年代末期的时候, 在中国科学院里面的物理研究所的一间实验室内, 陈小龙众人所组成的那个团队, 正守候在一台外形显得十分笨拙的生长炉的旁边。

这台炉子并非是购买而来的, 而是他们自行绘制图纸, 寻觅厂家, 逐件定制而成的, 原因就在于当时在市面上根本寻觅不到适切的设备, 缘由是卖家并不售卖, 或者压根就无人去制作。

他们在等待的东西，叫做碳化硅（SiC）单晶。

炉子里温度超出了2000℃ , 不存在任何能够看进去的光学仪器 , 没有摄像头 , 没有窗口 , 什么都没法看见。晶体处于那个密封的石墨坩埚之中 , 在全然黑暗以及高温状况下 , 依照自身节奏生长 , 或者不生长。一周以后 , 等炉子冷却 , 打开 , 才能够知晓结果。

将其打开以后, 呈现出来的是裂缝, 耗费一周时间, 使用昂贵材料, 经过无数次调试的参数, 通通都作废了, 随后, 他们再次开启新的进程。

又一次, 这一幕, 于那间实验室里发生了。业内后来将这种工作称作“在 2000℃ 的黑匣子里蒙眼绣花”, 温度一旦稍有偏差, 震动一旦稍有起伏, 长出来的晶体, 便会布满缺陷, 一切就会归零。

陈小龙曾和队伍于非九十年代时期在中国科学院物理研究所开展实验 , 有逗号隔开, 句末有标点符号。

那时候, 美国以及日本这边的企业, 早就把这项技术稳稳地攥在手中, 进行技术封锁, 不售卖设备, 就连培育晶体所必需的最开始的“引子”, 也就是籽晶, 都没办法买到。没有籽晶的情况下, 他们就得从最开始慢慢熬。好不容易熬出了第一颗, 仅仅只有指甲盖那么大, 但是这可是他们自己培育出来的。

这是中国碳化硅故事的起点。

这块材料，凭什么值得拼命？

试想一下, 你驾驶着一辆新能源汽车, 随后将充电枪插入, 5分钟之后, 续航显示增长了200公里。这样的情况背后究竟发生了什么呢?

大量电能被一股脑地塞到电池里边, 是凭借充电桩在极短时间内去完成的此举, 此时电压高达800伏, 并且电流大、速度快、热量猛。普通的硅基芯片在这样的条件之下承受不住: 要么损耗太大, 要么直接崩溃。而碳化硅芯片, 是让这样一件事能够成为可能的关键部件, 就是它。

8 英寸 SiC 晶体和晶片 | 中国科学院物理研究所

充当第三代半导体核心材料角色的是碳化硅, 相较于我们所熟知的、作为手机与电脑芯片主要材料的硅而言, 它具备一些极为关键重要的物理特性, 这些特性能够确保其在极端环境当中实现正常使用。

1、扛得住高压

一般来讲, 材料的“禁带宽度”决断了其能够承受的电压有多高。能够将其理解为一道水坝: 水坝越高, 使得能够拦住的洪峰越大。

硅的那种“坝”相对而言比较矮, 一旦电压稍微高些就极易出现“漏电”状况甚至走向崩溃；碳化硅有着的禁带宽度是硅的3倍, 这个情形等同于把大坝增高到了三倍的程度, 能够稳稳当当承受住数千伏的工作电压, 却是不会出现任何问题。这样的情况使得它变成了高压电力系统的理想选择。

2、不怕热

工作时芯片会发热, 一旦过热便会损坏。碳化硅的导热能力为硅的3.3倍, 散热效率极高, 等同于芯片自身带有“大功率风扇”, 即使处于极端高温情况下也能够稳定运转。这使得设备无需笨重的散热装置, 体积得以大幅缩小。

承受高压、不惧炎热, 并且损耗极低, 业界将其称作“六边形战士”。正因为这样, 在每一个需要在极端状况下高效处理电能的场景里, 碳化硅都是不可替代的关键核心, 新能源汽车、5G通信基站、光伏电站、雷达系统等, 每一项都是万亿级别的赛道。

那么, 究竟是谁掌控了碳化硅, 一旦谁掌控了碳化硅, 那谁便掌控了这场能源革命的入口。然而, 在相当漫长的一段时间当中, 这个入口, 却是掌握在其他人的手里。

“黑匣子”里的二十年

碳化硅的制造，从一块晶锭开始。

平常的硅晶体, 在大概1400℃之际进行融化, 而后将晶棒拉出, 这一过程相对较为直接。碳化硅却全然不一样, 它在常压环境下根本不存在液态, 当温度上升到2600℃时, 会直接从固体转变为气体, 从而跳过了液态这个阶段。

这表明, 科学家非得采用一种极为违背直觉的办法来“种”晶体。首先, 要将碳化硅粉末加热至2000℃以上, 使其转变成为气体。接着, 让该气体在温度稍低的“籽晶”表面再度凝结。然后, 使之结晶。如此这般, 一层一层地堆积出一块完整的单晶。

这个过程于一个密封着的石墨坩埚内进行, 从外头啥都瞧不见。几度的温差, 还有一点点震动, 皆会致使晶体内部生成缺陷, 进而令整批全然作废。这便是“蒙眼绣花”的真切含义: 处于全然的黑暗之中, 依靠经验以及仪器的间接读数, 极为精细地操控一个谁都看不见的过程。

在陈小龙团队于上个世纪九十年代末着手开展这件事情之际, 美日企业于这条路径之上已然行进了十几载, 专利壁垒严严实实密不通风, 极度难以突破。中国团队能够购置到的物品极为稀少, 在相当多的情形之下, 根本就寻觅不到任何可购之物。相关设备需要依靠自身去制造, 籽晶也得凭借自身熬制, 甚至连可供参考的文献数量都少之又少, 极为匮乏。

如此这般, 便熬出来了第一颗有着指甲盖那般大小的晶体, 紧接着出现了更大的, 随后开始进行切片操作, 接着做成衬底, 而后继续往下做器件, 再接着做模块, 最后做产品。

陈小龙研究员手持碳化硅单晶衬底 | 光明网

用以衡量碳化硅衬底时的一个关键指标是“英寸数”, 直径越大, 那么所能够于单片之上做出的芯片数量就会越多, 成本也就越低, 其工业价值也就越高。从2英寸开始到4英寸以后, 再到6英寸, 每一回出现突破的背后皆是历经数年的积累。在2024年左右之时, 中国已经推进至8英寸, 与国际最前沿的水平并驾齐驱；在2026年3月的时候, 已经有中国企业成功研制出14英寸碳化硅单晶材料。

陈小龙研究员所带领的SiC及相关材料团队, 成功建设了一条SiC外延工艺研发产线, 此为松山湖材料实验室 |。

但真正令人意外的，不只是追上来，而是开辟了新路。

碳化硅属于超硬材料, 其硬度仅次于金刚石, 当把晶锭切为薄片时, 传统物理切割方式存在极大损耗, 一大块晶体在切割时, 将近一半会变成粉末而被浪费掉, 西湖大学孵化的团队首创了“激光剥离技术”，该技术是通过数亿个极细小的激光“爆破点”从内部剥开晶体的, 此举使得损耗降低了一半, 他们直接绕开了对手曾走过的那条路。

与此同时, 在产业层面, 天科合达此中企, 天岳先进亦中企, 于碳化硅衬底之地, 全球市场份额不断上升, 在好些关键指标方面, 已然超过美国老牌顶尖企业, 结束了此领域持续数十年“一国独自强大”的局面。

从那间实验室里, 出现了第一颗如指甲盖大小的晶体, 直至今日处于全球市场前列, 历经了二十年, 一条完整的产业链, 从原本不存在, 发展到如今这样。

它已经在你我身边

技术突破最终的意义，在于它去了哪里。

你的新能源汽车里, 电机控制器中有块碳化硅功率模块, 正因它, 电驱系统体积缩小了40%, 并且整车续航实实在在提升了5%到10%。那些可实现“充电5分钟续航200公里”的液冷超级充电桩内, 电能转换核心是碳化硅芯片。国内主流电车品牌几乎全都引入了这套方案。

在大西北那片戈壁滩之上, 光伏面板于极端暴晒以及巨大温差的状况之中展开工作, 搭载了碳化硅芯片的光伏逆变器, 能够把直流电转换效率最高提升到 99%以上, 并且能够经受住当地的极端环境, 而不会出现损坏的情况, 不管是荒漠里面的大型电站, 还是千家万户屋顶的分布式光伏, 它都在悄然无声地减少能量的流失, 使得绿电能够更加稳定、更加经济地输送出去。

在5G基站中, 在数据中心内, 生成式AI一经爆发, 功耗便成了最大瓶颈, 散热亦成了最大瓶颈。碳化硅具备导热特性, 凭借此特性, 基站就算处于全负荷运转状态, 也能够维持稳定, 并且其设备体积更小, 小到什么程度呢, 甚至能够挂在路灯杆上。不仅如此, 碳化硅正在变为大型数据中心电源系统之中的核心组件, 它能大幅降低冷却能耗, 进而为算力扩张给予更绿色的支撑。

而它去得最远的地方，是太空。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 借助碳化硅具备的极低热膨胀率, 以及超高刚度的特性, 开展研制工作, 成功研制出了口径为4.03米的单体碳化硅反射镜, 此反射镜在目前世界上同类产品里, 尺寸是最大的, 它属于中国新一代空间望远镜的核心光学元件, 其用途是用来看清宇宙深处。

由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的科研人员, 对4米量级高精度碳化硅非球面反射镜的表面情况展开检查。

汽车, 在地面上, 具备快充功能, 而几百公里外, 轨道上, 有一面巨大的镜子, 二者由同一种材料构成, 呈现出不同的面貌。

最初, 陈小龙团队守着那台自制生长炉, 那时, 全球碳化硅衬底市场几乎是美国一家公司独自占据的局面。那个炉子里, 什么都无法看见, 一周开启一次炉, 最终结果的好坏, 完全凭借运气以及经验。

过去了二十多年, 那个时候的炉子早就变换为更大, 并更加精密一些的版本；中国所处的碳化硅产业已然是从单晶生长朝着外延片、功率器件这两个方向发展了, 从而覆盖了完整一套的产业链；市场份额起初时没有哪怕一点儿呢之后开始有了, 进而到了于全球居前列的地步；像激光剥离这般原创的技术, 甚至都已经开场被国际相关同行跟随了。

但是, 在这个故事当中, 最值得被记住的, 大概并非是那些关于市占率的数字, 而是在一开始, 于那间实验室里面, 既没有设备, 又没有材料, 还没有参考答案, 就在那样的情况下, 有一群人做出了重新开始的那个时刻。

黑匣子依旧存在着 , 只是 , 当前其中生长出的物品 , 正在启发照亮你及我的平常日子。