超越美國老牌巨頭！中國碳化硅 20 年突圍記

1990年代末，中國科學院物理研究所的一間實驗室里，陳小龍團隊正守在一臺外形笨拙的生長爐旁邊。

這臺爐子不

是買來的，是他們自己畫圖紙、找廠家一件件定制出來的——因為當時市面上根本買不到合適的設(shè)備，因為賣家不賣，或者根本沒人做。

他們在等待的東西，叫做碳化硅（SiC）單晶。

爐子里的溫度超過2000℃。沒有任何光學儀器能看進去，沒有攝像頭，沒有窗口，什么都看不見。晶體就在那個密封的石墨坩堝里，在完全的黑暗和高溫中，按照自己的節(jié)奏生長——或者不生長。一周后，等爐子冷卻，打開，才能知道結(jié)果。

打開之后，是裂縫。一周的時間、昂貴的材料、無數(shù)次調(diào)試的參數(shù)，全部作廢。然后，他們重新開始。

這一幕，在那間實驗室里，發(fā)生了一次又一次。業(yè)內(nèi)后來把這種工作叫做“在2000℃的黑匣子里蒙眼繡花”——溫度稍有偏差，震動稍有起伏，長出來的晶體就會布滿缺陷，一切歸零。

陳小龍（前）和團隊在做實驗（非90年代）| 中國科學院物理研究所

而那時候，美國和日本的企業(yè)早已把這項技術(shù)牢牢握在手里——技術(shù)封鎖，不賣設(shè)備，連生長晶體所需要的最初“引子”——籽晶——都買不到。沒有籽晶，他們就從頭熬。熬出了第一顆，只有指甲蓋大小，但那是他們自己的。

這是中國碳化硅故事的起點。

這塊材料，憑什么值得拼命？

想象你開著一輛新能源車，插上充電槍，5分鐘后顯示續(xù)航增加了200公里。這背后發(fā)生了什么？

充電樁在極短時間內(nèi)把大量電能塞進電池，電壓高達800伏，電流大、速度快、熱量猛。普通的硅基芯片在這種條件下扛不住：要么損耗太大，要么直接崩潰。而碳化硅芯片，就是讓這件事成為可能的關(guān)鍵部件。

8英寸SiC晶體和晶片| 中國科學院物理研究所

碳化硅被稱為第三代半導體核心材料。比起我們熟悉的硅（手機、電腦芯片的主材），它有一些至關(guān)重要的物理特質(zhì)可以保障在極端環(huán)境下正常使用。

1 扛得住高壓

通常來說，材料的“禁帶寬度”決定了它能承受多高的電壓。可以把它理解成一道壩：壩越高，能攔住的洪峰越大。

硅的“壩”比較矮，電壓稍高就容易“漏電”甚至崩潰；碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍，相當于把大壩加高至了三倍，能穩(wěn)穩(wěn)扛住數(shù)千伏的工作電壓而不出問題。這讓它成為了高壓電力系統(tǒng)的理想選擇。

2 不怕熱

芯片在工作時會發(fā)熱，過熱就會損壞。碳化硅的導熱能力是硅的3.3倍，散熱效率極高，相當于芯片自帶“大功率風扇”，即便在極端高溫下也能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。這讓設(shè)備不需要笨重的散熱裝置，體積得以大幅縮小。

扛高壓、不怕熱，且損耗還低——業(yè)界稱之為“六邊形戰(zhàn)士”。正因如此，凡是需要在極端條件下高效處理電能的場景，碳化硅都是無可替代的核心：新能源汽車、5G通信基站、光伏電站、雷達系統(tǒng)……每一個都是萬億級的賽道。

所以，誰掌握了碳化硅，誰就掌握了這場能源革命的入口。而在相當長的時間里，這個入口，掌握在別人手里。

“黑匣子”里的二十年

碳化硅的制造，從一塊晶錠開始。

普通的硅晶體，在約1400℃時融化，拉出晶棒，相對直接。碳化硅則完全不同——它在常壓下根本沒有液態(tài)，溫度升到2600℃會直接從固體變成氣體，跳過了液態(tài)這個環(huán)節(jié)。

這意味著科學家必須用一種極其反直覺的方式來“種”晶體：把碳化硅粉末加熱到2000℃以上，讓它變成氣體，再讓氣體在溫度稍低的“籽晶”表面重新凝結(jié)、結(jié)晶，一層一層地堆出一塊完整的單晶。

這個過程在一個密封的石墨坩堝里進行，從外面什么也看不見。幾度的溫差、一點點震動，都會讓晶體內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，整批作廢。這就是“蒙眼繡花”的真實含義：在完全的黑暗里，憑借經(jīng)驗和儀器的間接讀數(shù)，極其精細地控制一個誰也看不見的過程。

陳小龍團隊從1990年代末開始干這件事的時候，美日企業(yè)已經(jīng)在這條路上走了十幾年，專利壁壘密不透風。中國團隊能買到的東西極其有限，很多時候根本什么都買不到。設(shè)備要自己造，籽晶要自己熬，連可以參考的文獻都少得可憐。

就這樣熬出了第一顆指甲蓋大小的晶體，然后是更大的，然后開始切片、做成襯底，再往下做器件、做模塊、做產(chǎn)品。

陳小龍研究員手持碳化硅單晶襯底|光明網(wǎng)

衡量碳化硅襯底的一個關(guān)鍵指標是“英寸數(shù)”：直徑越大，單片能做出的芯片越多，成本越低，工業(yè)價值越高。從2英寸到4英寸、6英寸，每一次突破背后都是數(shù)年的積累。2024年前后，中國已推進至8英寸，與國際最前沿水平并肩；2026 年 3 月，已有中國企業(yè)成功研制出 14 英寸碳化硅單晶材料。

陳小龍研究員帶領(lǐng)的SiC及相關(guān)材料團隊成功建設(shè)了一條SiC外延工藝研發(fā)產(chǎn)線|松山湖材料實驗室

但真正令人意外的，不只是追上來，而是開辟了新路。

碳化硅是僅次于金剛石的超硬材料，把晶錠切成薄片時，傳統(tǒng)的物理切割方式損耗極大，一大塊晶體有將近一半會在切割中變成粉末浪費掉。西湖大學孵化的團隊首創(chuàng)了“激光剝離技術(shù)”——用數(shù)億個極細小的激光“爆破點”從內(nèi)部剝開晶體，損耗降低了一半。他們干脆直接繞開了對手曾經(jīng)跑過的那條路。

與此同時，在產(chǎn)業(yè)層面，天科合達、天岳先進等中國企業(yè)在碳化硅襯底領(lǐng)域的全球市場份額持續(xù)攀升，在多個關(guān)鍵指標上已經(jīng)超越了美國老牌巨頭，終結(jié)了該領(lǐng)域長達數(shù)十年“一國獨大”的格局。

從那間實驗室里第一顆指甲蓋大小的晶體，到今天的全球市場前列——二十年，一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈，從無到有。

它已經(jīng)在你我身邊

技術(shù)突破最終的意義，在于它去了哪里。

在你的新能源汽車里，電機控制器里那塊碳化硅功率模塊，讓電驅(qū)系統(tǒng)的體積縮小了40%，整車續(xù)航實打?qū)嵉靥嵘?%到10%。那些能實現(xiàn)“充電5分鐘續(xù)航200公里”的液冷超級充電樁，內(nèi)部的電能轉(zhuǎn)換核心正是碳化硅芯片。國內(nèi)的主流電車品牌幾乎全部引入了這套方案。

在大西北的戈壁灘上，光伏面板在極端暴曬和巨大溫差中工作。搭載了碳化硅芯片的光伏逆變器，能將直流電轉(zhuǎn)換效率最高提升至99%以上，同時經(jīng)受住當?shù)氐臉O端環(huán)境而不損壞。無論是荒漠里的大型電站，還是千家萬戶屋頂?shù)姆植际焦夥荚谀瑴p少能量流失，讓綠電更穩(wěn)定、更經(jīng)濟地送出去。

在5G基站和數(shù)據(jù)中心里，隨著生成式AI爆發(fā)，功耗和散熱已經(jīng)成為最大的瓶頸。碳化硅的導熱特性讓基站即便全負荷運轉(zhuǎn)也能保持穩(wěn)定，設(shè)備體積更小，甚至可以掛在路燈桿上。它也正在成為大型數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)的核心組件，大幅降低冷卻能耗，為算力擴張?zhí)峁└G色的支撐。

而它去得最遠的地方，是太空。

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所利用碳化硅極低熱膨脹率和超高剛度的特性，研制出了口徑4.03米的單體碳化硅反射鏡——這是目前世界上同類產(chǎn)品中最大的尺寸，是中國新一代空間望遠鏡的核心光學元件，用來看清宇宙深處。

科研人員檢查4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡表面情況|中國科學院長春光學精密機械與物理研究所

從地面上一輛快充的汽車，到幾百公里外軌道上那面巨大的鏡子，是同一種材料的不同面孔。

陳小龍團隊最初守著那臺自制生長爐的時候，全球碳化硅襯底市場幾乎是美國一家公司的獨角戲。那個爐子里什么也看不見，一周開一次爐，結(jié)果好壞全憑運氣和經(jīng)驗。

二十多年過去了，那個爐子早就換了更大、更精密的版本；中國的碳化硅產(chǎn)業(yè)已經(jīng)從單晶生長延伸到外延片、功率器件，覆蓋完整的產(chǎn)業(yè)鏈；市場份額從無到有，再到全球前列；激光剝離這樣的原創(chuàng)技術(shù)，甚至開始被國際同行跟隨。

但這個故事里最值得記住的，大概不是那些市占率的數(shù)字，而是最初在那間實驗室里，沒有設(shè)備、沒有材料、沒有參考答案，一群人選擇了重新開始的那一刻。

黑匣子還在。只不過，現(xiàn)在里面長出來的東西，正在點亮你我的日常。

參考文獻

[1]深圳第三代半導體研究院 / 科研進展公示, https://en.sslab.org.cn/news/researchdetail?id=526

[2]《王守武的青春歲月》,中國科學院半導體超晶格國家重點實驗室, http://lab.semi.ac.cn/danganshi/contents/828/51.html

[3]《陳小龍：從0到1 為國產(chǎn)碳化硅“開路”》,光明網(wǎng), https://kepu.gmw.cn/2025-02/14/content_37849954.htm

[4]《12英寸碳化硅襯底實現(xiàn)激光剝離》,中國日報網(wǎng),https://cn.chinadaily.com.cn/a/202503/28/WS67f62adca310e29a7c4a8422.html

[5]《全球登頂！我國碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)自主引領(lǐng)》,華盛通（綜合富士經(jīng)濟2025產(chǎn)業(yè)報告）,https://www.hstong.com/news/detail/26032613272663854

[6]《上海殺出未來獨角獸：一把融資10億》,投資界,https://finance.sina.com.cn/jjxw/2025-01-25/doc-inehczma6433513.shtml

[7]《4.03米的“大眼睛”！世界最大口徑單體碳化硅反射鏡成功研制》,中國科學院長春光機所官網(wǎng),https://ciomp.cas.cn/kxcb/kpzd/shkp_181722/201812/t20181218_7930590.html

策劃制作

作者丨楊玨科普創(chuàng)作者

審核丨陳小龍 中國科學院院士

羅會仟 中國科學院物理所 研究員

孫明軒 上海工程技術(shù)大學教授