中國粉體網訊  作為第三代半導體材料，碳化硅晶體具有耐高溫、耐高壓、高頻特性好、轉化效率高、體積小和重量輕等優點，是新能源汽車、光伏和5G通訊等急需的半導體材料，是材料領域發展最快、國際競爭最激烈的方向之一。

2300℃的極端高溫讓碳化硅粉末升華為氣體。歷經約7天的精密“孕育”，一塊可用于制造高性能芯片的“關鍵法寶”——碳化硅晶錠得以出爐。隨后，經過切削、打磨、拋光等多道精細工序，這塊晶錠最終被加工成厚度不足0.5毫米、薄如蟬翼的碳化硅襯底。

來源：北京科技報

然而回溯20多年前，就是這樣一片薄薄的碳化硅晶片，我國卻無法實現自主制造，完全依賴進口。在這一困境下，中國科學院物理研究所研究員陳小龍挺身而出，帶領團隊歷經20余載深耕，從零起步、自主創新，成功攻克了碳化硅晶體生長設備研發、晶體生長工藝優化、缺陷抑制技術突破、晶片精密加工等一系列核心難題，最終實現碳化硅單晶的國產化量產，打破了國外長期的技術封鎖，為我國半導體產業的自主發展注入了強勁動力。

破局：從零摸索，攻克2英寸晶體生長難關

20世紀90年代，全球僅有美國等少數發達國家掌握2英寸碳化硅晶體生長技術，且該技術主要應用于先進雷達、航空航天等高端領域，對我國實施嚴格的技術封鎖。彼時，碳化硅單晶研究在國內尚屬“冷門”方向。

1999年，在時任中國科學院物理研究所領導和實驗室負責人的支持下，35歲的陳小龍毅然挑起重擔，擔任晶體生長組組長，開啟了國產碳化硅晶體研發的艱難征程。盡管業界早已認知到碳化硅的優異性能，但如何讓晶體穩定生長一直是制約其發展的核心瓶頸，也是這一領域長期被“冷落”的關鍵原因。面對無經驗可借鑒、無成熟設備可用的困境，陳小龍帶領團隊從基本物理原理出發，一點點摸索實驗規律，化身碳化硅晶體制備方法的“探路者”。

晶體生長離不開籽晶——這顆如同“種子”的微小晶體，是培育優質碳化硅晶體的基礎，也是當時科研團隊急需突破的難題之一。為攻克這一難關，團隊首先吃透晶體生長的基本原理，隨后從繪制設備圖紙、設計晶體生長爐開始，與儀器廠家深度合作，反復調試、優化，最終研制出滿足實驗要求的晶體生長爐。在此基礎上，團隊開展了大量實驗，逐步掌握了碳化硅原料升華、輸運、生長的熱力學與動力學基本過程，厘清了晶體缺陷的形成機理，探索出防止自發生核、實現晶體擴徑的關鍵技術。

通過系統研究碳化硅晶體生長的熱力學與動力學規律，團隊成功揭示了晶體生長過程中相變、缺陷等問題的形成機制。歷經“機理提出—實驗驗證—機理修正—再次驗證”的反復迭代，在多種模型體系的輔助下，2005年，陳小龍團隊終于實現了2英寸碳化硅晶體生長的技術突破，為國產碳化硅產業發展邁出了關鍵一步。

拓界：產學研融合，突破大尺寸晶體產業化瓶頸

2006年，在2英寸晶體技術突破的基礎上，陳小龍并未止步。面對國內碳化硅產業“有技術無產業”的困境，他在無成熟經驗可借鑒的情況下，率先開啟碳化硅單晶的產業化探索，牽頭創建了國內第一家碳化硅晶體產業化公司——北京天科合達半導體股份有限公司。通過“產學研”深度融合的模式，團隊持續推動技術向產業轉化，先后在2010年、2014年成功研制出4英寸、6英寸碳化硅單晶，產品性能達到國際先進水平，為高性能碳化硅基器件的國產化奠定了堅實基礎，也為后續滿足新能源汽車、光伏等產業的規模化應用需求提供了可能。

然而，碳化硅晶體尺寸的擴大絕非簡單的“直徑增加”。隨著晶體直徑變大，爐內溫場分布會發生復雜變化，進而引發晶體應力不均、缺陷增多等一系列新問題，這也使得8英寸碳化硅晶體生長長期被視為行業難題。

來源：中國科學院物理研究所

談及晶體擴徑過程中的挑戰，陳小龍對一段經歷記憶猶新：“當時我們剛實現6英寸碳化硅晶體的制備，但在實際生產中，晶體卻頻繁出現隨機開裂現象。每一塊開裂的晶體都讓大家心疼不已，卻始終找不到問題根源。那段時間，每次開爐大家都格外緊張，甚至有些戰戰兢兢。”面對困境，陳小龍鼓勵團隊痛定思痛，跳出慣性思維。最終，團隊一位成員提出了“反直覺”的應力消除方案，大家順著這一思路反復實驗，果然成功解決了晶體開裂問題。“這件事也提醒我，科研中遇到難關時，不能陷入思維定式，反而要換個角度、換個方向，或許就能找到突破口。”陳小龍感慨道。

憑借這份堅持與創新，陳小龍團隊最終攻克了晶體擴徑這一公認難題。如今，我國已能穩定生長出高質量的2至8英寸碳化硅晶體，進一步推動碳化硅材料在新能源、5G、航空航天等多個產業領域的廣泛應用。

領航：筑全產業鏈，助力半導體產業高質量發展

從技術研發到產業落地，陳小龍團隊歷經數十年“蟄伏”。直到2016年前后，隨著新能源汽車產業的快速崛起以及國家“雙碳”目標的提出，碳化硅材料的戰略價值日益凸顯，成為國家重點扶持的新興材料“寵兒”，國產碳化硅產業也迎來了爆發式增長期。

來源：天科合達

如今，北京天科合達已能向國內100多家科研機構和企業批量供應碳化硅襯底。碳化硅晶體的國產化，不僅滿足了國家在高端半導體材料領域的重大需求，更帶動了20余家國內企業進入碳化硅下游器件、封裝和模塊產業，推動我國形成了完整的碳化硅半導體產業鏈，為國內寬禁帶半導體產業的發展注入了強勁活力，也助力我國新能源汽車、光伏等產業躋身世界前列。

“目前，國內碳化硅晶體、襯底的供應基本可以滿足國產需求，無論從質量還是產量上，都實現了自主可控。”談及成果，陳小龍欣慰地表示，“經過這么多年的努力，外國已經‘卡’不住我們的脖子了。”

成績面前，陳小龍團隊并未停下腳步。當前，團隊正瞄準“進一步提升碳化硅晶體良率與質量”這一目標持續攻關。“我們希望通過持續研究，降低碳化硅材料的生產成本，讓更多新能源汽車消費者享受到碳化硅器件帶來的優勢。”同時，團隊也在推進自主創新的立方碳化硅晶體研究，期待其能早日在高端MOS器件上實現應用，為推動我國半導體關鍵材料和器件的高質量發展、提升國產產品國際競爭力、加快培育新質生產力作出新的更大貢獻。

參考來源：

北京日報.“晶”益求精 

中國科學報.陳小龍：20余年堅守創新“開路”國產碳化硅

物理所所友總會.陳小龍：從0到1為國產碳化硅“開路”

北京科技報.陳小龍：從氣相到液相碳化硅晶體生長技術——攻堅與持續創新

（中國粉體網編輯整理/初末）

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