中国粉体网讯  作为第三代半导体材料，碳化硅晶体具有耐高温、耐高压、高频特性好、转化效率高、体积小和重量轻等优点，是新能源汽车、光伏和5G通讯等急需的半导体材料，是材料领域发展最快、国际竞争最激烈的方向之一。

2300℃的极端高温让碳化硅粉末升华为气体。历经约7天的精密“孕育”，一块可用于制造高性能芯片的“关键法宝”——碳化硅晶锭得以出炉。随后，经过切削、打磨、抛光等多道精细工序，这块晶锭最终被加工成厚度不足0.5毫米、薄如蝉翼的碳化硅衬底。

来源：北京科技报

然而回溯20多年前，就是这样一片薄薄的碳化硅晶片，我国却无法实现自主制造，完全依赖进口。在这一困境下，中国科学院物理研究所研究员陈小龙挺身而出，带领团队历经20余载深耕，从零起步、自主创新，成功攻克了碳化硅晶体生长设备研发、晶体生长工艺优化、缺陷抑制技术突破、晶片精密加工等一系列核心难题，最终实现碳化硅单晶的国产化量产，打破了国外长期的技术封锁，为我国半导体产业的自主发展注入了强劲动力。

破局：从零摸索，攻克2英寸晶体生长难关

20世纪90年代，全球仅有美国等少数发达国家掌握2英寸碳化硅晶体生长技术，且该技术主要应用于先进雷达、航空航天等高端领域，对我国实施严格的技术封锁。彼时，碳化硅单晶研究在国内尚属“冷门”方向。

1999年，在时任中国科学院物理研究所领导和实验室负责人的支持下，35岁的陈小龙毅然挑起重担，担任晶体生长组组长，开启了国产碳化硅晶体研发的艰难征程。尽管业界早已认知到碳化硅的优异性能，但如何让晶体稳定生长一直是制约其发展的核心瓶颈，也是这一领域长期被“冷落”的关键原因。面对无经验可借鉴、无成熟设备可用的困境，陈小龙带领团队从基本物理原理出发，一点点摸索实验规律，化身碳化硅晶体制备方法的“探路者”。

晶体生长离不开籽晶——这颗如同“种子”的微小晶体，是培育优质碳化硅晶体的基础，也是当时科研团队急需突破的难题之一。为攻克这一难关，团队首先吃透晶体生长的基本原理，随后从绘制设备图纸、设计晶体生长炉开始，与仪器厂家深度合作，反复调试、优化，最终研制出满足实验要求的晶体生长炉。在此基础上，团队开展了大量实验，逐步掌握了碳化硅原料升华、输运、生长的热力学与动力学基本过程，厘清了晶体缺陷的形成机理，探索出防止自发生核、实现晶体扩径的关键技术。

通过系统研究碳化硅晶体生长的热力学与动力学规律，团队成功揭示了晶体生长过程中相变、缺陷等问题的形成机制。历经“机理提出—实验验证—机理修正—再次验证”的反复迭代，在多种模型体系的辅助下，2005年，陈小龙团队终于实现了2英寸碳化硅晶体生长的技术突破，为国产碳化硅产业发展迈出了关键一步。

拓界：产学研融合，突破大尺寸晶体产业化瓶颈

2006年，在2英寸晶体技术突破的基础上，陈小龙并未止步。面对国内碳化硅产业“有技术无产业”的困境，他在无成熟经验可借鉴的情况下，率先开启碳化硅单晶的产业化探索，牵头创建了国内第一家碳化硅晶体产业化公司——北京天科合达半导体股份有限公司。通过“产学研”深度融合的模式，团队持续推动技术向产业转化，先后在2010年、2014年成功研制出4英寸、6英寸碳化硅单晶，产品性能达到国际先进水平，为高性能碳化硅基器件的国产化奠定了坚实基础，也为后续满足新能源汽车、光伏等产业的规模化应用需求提供了可能。

然而，碳化硅晶体尺寸的扩大绝非简单的“直径增加”。随着晶体直径变大，炉内温场分布会发生复杂变化，进而引发晶体应力不均、缺陷增多等一系列新问题，这也使得8英寸碳化硅晶体生长长期被视为行业难题。

来源：中国科学院物理研究所

谈及晶体扩径过程中的挑战，陈小龙对一段经历记忆犹新：“当时我们刚实现6英寸碳化硅晶体的制备，但在实际生产中，晶体却频繁出现随机开裂现象。每一块开裂的晶体都让大家心疼不已，却始终找不到问题根源。那段时间，每次开炉大家都格外紧张，甚至有些战战兢兢。”面对困境，陈小龙鼓励团队痛定思痛，跳出惯性思维。最终，团队一位成员提出了“反直觉”的应力消除方案，大家顺着这一思路反复实验，果然成功解决了晶体开裂问题。“这件事也提醒我，科研中遇到难关时，不能陷入思维定式，反而要换个角度、换个方向，或许就能找到突破口。”陈小龙感慨道。

凭借这份坚持与创新，陈小龙团队最终攻克了晶体扩径这一公认难题。如今，我国已能稳定生长出高质量的2至8英寸碳化硅晶体，进一步推动碳化硅材料在新能源、5G、航空航天等多个产业领域的广泛应用。

领航：筑全产业链，助力半导体产业高质量发展

从技术研发到产业落地，陈小龙团队历经数十年“蛰伏”。直到2016年前后，随着新能源汽车产业的快速崛起以及国家“双碳”目标的提出，碳化硅材料的战略价值日益凸显，成为国家重点扶持的新兴材料“宠儿”，国产碳化硅产业也迎来了爆发式增长期。

来源：天科合达

如今，北京天科合达已能向国内100多家科研机构和企业批量供应碳化硅衬底。碳化硅晶体的国产化，不仅满足了国家在高端半导体材料领域的重大需求，更带动了20余家国内企业进入碳化硅下游器件、封装和模块产业，推动我国形成了完整的碳化硅半导体产业链，为国内宽禁带半导体产业的发展注入了强劲活力，也助力我国新能源汽车、光伏等产业跻身世界前列。

“目前，国内碳化硅晶体、衬底的供应基本可以满足国产需求，无论从质量还是产量上，都实现了自主可控。”谈及成果，陈小龙欣慰地表示，“经过这么多年的努力，外国已经‘卡’不住我们的脖子了。”

成绩面前，陈小龙团队并未停下脚步。当前，团队正瞄准“进一步提升碳化硅晶体良率与质量”这一目标持续攻关。“我们希望通过持续研究，降低碳化硅材料的生产成本，让更多新能源汽车消费者享受到碳化硅器件带来的优势。”同时，团队也在推进自主创新的立方碳化硅晶体研究，期待其能早日在高端MOS器件上实现应用，为推动我国半导体关键材料和器件的高质量发展、提升国产产品国际竞争力、加快培育新质生产力作出新的更大贡献。

参考来源：

北京日报.“晶”益求精 

中国科学报.陈小龙：20余年坚守创新“开路”国产碳化硅

物理所所友总会.陈小龙：从0到1为国产碳化硅“开路”

北京科技报.陈小龙：从气相到液相碳化硅晶体生长技术——攻坚与持续创新

（中国粉体网编辑整理/初末）

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