从指甲盖大小到全球前列：国产碳化硅的逆袭之路

1990年代末期，在中国科学院物理研究所的一间实验室里，陈小龙团队一直守候在一台形状简陋的生长设备旁。

这台设备并非购得，而是他们自行设计图纸、寻觅工厂逐件定制而成——因为当时市场上根本无法获取合适的装备，卖家不肯出售，或者说根本无人生产。

他们在等待的物质，名为碳化硅（SiC）单晶。

设备内的温度超过2000摄氏度。没有任何光学装置能够探入，没有摄像头，没有观察口，完全无法窥探。晶体就在那个密闭的石墨容器内，在完全的黑暗与高温中，按照自身的规律生长——或者无法生长。一周后，待设备冷却、开启，方能知晓结果。

开启之后，满是裂纹。一周的时间、昂贵的原料、无数次调试的参数，全部付诸东流。随后，他们重新开始。

这一幕，在那间实验室里，反复上演。业界后来将这种工作形容为"在2000摄氏度的密闭容器中闭眼雕琢"——温度稍有偏差，震动稍有波动，长出的晶体就会布满瑕疵，一切归零。

而当时，美国和日本的企业早已将这项技术牢牢掌控——技术封锁，不出售设备，连生长晶体所必需的最初"种子"——籽晶——都无法购得。没有籽晶，他们就从头培育。终于培育出第一颗，仅有指甲盖大小，但那属于他们自己。

这便是中国碳化硅故事的起点。

这种材料，究竟为何值得全力以赴？

设想你驾驶一辆新能源汽车，插上充电枪，5分钟后显示续航增加了200公里。这背后的原理是什么？

充电桩在极短时间内将大量电能注入电池，电压高达800伏，电流大、速度快、热量剧烈。常规的硅基芯片在这种条件下难以承受：要么损耗过大，要么直接损坏。而碳化硅芯片，正是使这一场景成为可能的关键元件。

碳化硅被称作第三代半导体核心材料。相较于我们熟知的硅（手机、电脑芯片的主要材料），它具备一些关键的物理特性，能够保障在恶劣环境下正常工作。

1、承受高压

通常而言，材料的"禁带宽度"决定了它能承受多高的电压。可以将其想象成一道堤坝：堤坝越高，能阻挡的洪峰越大。

硅的"堤坝"相对较低，电压稍高就容易"漏电"甚至损坏；碳化硅的禁带宽度是硅的3倍，相当于将堤坝加高至三倍，能稳固承受数千伏的工作电压而不出现问题。这使其成为高压电力系统的理想选材。

2、耐高温

芯片在工作时会发热，过热就会损毁。碳化硅的导热能力是硅的3.3倍，散热效率极高，相当于芯片自带"大功率风扇"，即便在极端高温下也能稳定运行。这使设备无需笨重的散热组件，体积得以大幅缩减。

耐高压、耐高温，且损耗低——业界称之为"全能选手"。正因如此，所有需要在极端条件下高效处理电能的场景，碳化硅都是不可替代的核心：新能源汽车、5G通信基站、光伏电站、雷达系统……每一个都是万亿级别的赛道。

因此，谁掌握了碳化硅，谁就掌握了这轮能源革命的入口。而在相当长的时间里，这个入口，掌握在他人手中。

"密闭容器"中的二十年

碳化硅的生产，从一块晶锭开始。

常规的硅晶体，在约1400摄氏度时熔化，拉出晶棒，相对简单。碳化硅则完全不同——它在常压下根本不存在液态，温度升至2600摄氏度会直接从固体变为气体，跳过了液态这一阶段。

这意味着科研人员必须采用一种极为反直觉的方式来"培育"晶体：将碳化硅粉末加热至2000摄氏度以上，使其转化为气体，再让气体在温度略低的"籽晶"表面重新凝结、结晶，逐层堆叠出一块完整的单晶。

这个过程在密闭的石墨容器内进行，从外部完全无法观测。几度的温差、轻微的震动，都会使晶体内部产生缺陷，整批报废。这就是"闭眼雕琢"的真实含义：在完全的黑暗中，凭借经验和仪器的间接读数，极其精细地控制一个无人能见的过程。

陈小龙团队从1990年代末期开始从事这项工作时，美日企业已在这条道路上探索了十几年，专利壁垒重重。中国团队能获取的物资极为有限，很多时候根本无从购买。设备需自行制造，籽晶需自行培育，连可供参考的文献都极为稀缺。

就这样培育出了第一颗指甲盖大小的晶体，随后是更大的，随后开始切片、制成衬底，再进一步做器件、做模块、做产品。

衡量碳化硅衬底的一个关键指标是"英寸数"：直径越大，单片能生产的芯片越多，成本越低，工业价值越高。从2英寸到4英寸、6英寸，每一次突破背后都是数年的积累。2024年前后，中国已推进至8英寸，与国际最前沿水平并肩；2026年3月，已有中国企业成功研制出14英寸碳化硅单晶材料。

但真正令人惊叹的，不只是追赶上来，而是开辟了新途径。

碳化硅是仅次于金刚石的超硬材料，将晶锭切割成薄片时，传统的物理切割方式损耗极大，一大块晶体有将近一半会在切割中变成粉末浪费掉。西湖大学孵化的团队首创了"激光剥离技术"——用数亿个极细小的激光"爆破点"从内部分离晶体，损耗降低了一半。他们直接绕开了竞争对手曾经走过的路径。

与此同时，在产业层面，天科合达、天岳先进等中国企业在碳化硅衬底领域的全球市场份额持续攀升，在多个关键指标上已经超越了美国老牌巨头，终结了该领域长达数十年"一国独大"的格局。

从那间实验室里第一颗指甲盖大小的晶体，到今天的全球市场前列——二十年，一条完整的产业链，从无到有。

它已在你我身边

技术突破最终的意义，在于它应用到了何处。

在你的新能源汽车里，电机控制器中那块碳化硅功率模块，使电驱系统的体积缩小了40%，整车续航实际提升了5%到10%。那些能实现"充电5分钟续航200公里"的液冷超级充电桩，内部的电能转换核心正是碳化硅芯片。国内的主流电动车品牌几乎全部采用了这套方案。

在大西北的戈壁滩上，光伏面板在极端暴晒和巨大温差中运行。搭载了碳化硅芯片的光伏逆变器，能将直流电转换效率最高提升至99%以上，同时经受住当地的极端环境而不损坏。无论是荒漠里的大型电站，还是千家万户屋顶的分布式光伏，它都在默默减少能量损耗，让绿电更稳定、更经济地输送出去。

在5G基站和数据中心里，随着生成式AI爆发，功耗和散热已成为最大的瓶颈。碳化硅的导热特性使基站即便全负荷运行也能保持稳定，设备体积更小，甚至可以安装在路灯杆上。它也正在成为大型数据中心电源系统的核心组件，大幅降低冷却能耗，为算力扩张提供更绿色的支撑。

而它到达的最远之处，是太空。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所利用碳化硅极低热膨胀率和超高刚度的特性，研制出了口径4.03米的单体碳化硅反射镜——这是目前世界上同类产品中最大的尺寸，是中国新一代空间望远镜的核心光学元件，用以观测宇宙深处。

从地面上一辆快充的汽车，到几百公里外轨道上那面巨大的镜子，是同一种材料的不同呈现。

陈小龙团队最初守着那台自制生长设备的时候，全球碳化硅衬底市场几乎是美国一家企业的独角戏。那个设备里什么也看不见，一周开一次炉，结果好坏全凭运气和经验。

二十多年过去了，那个设备早就换了更大、更精密的版本；中国的碳化硅产业已经从单晶生长延伸到外延片、功率器件，覆盖完整的产业链；市场份额从无到有，再到全球前列；激光剥离这样的原创技术，甚至开始被国际同行效仿。

但这个故事里最值得铭记的，大概不是那些市场占有率的数字，而是最初在那间实验室里，没有设备、没有材料、没有参考答案，一群人选择了重新开始的那一刻。

参考文献

[1]深圳第三代半导体研究院 / 科研进展公示, https://en.sslab.org.cn/news/researchdetail?id=526

[2]《王守武的青春岁月》,中国科学院半导体超晶格国家重点实验室, http://lab.semi.ac.cn/danganshi/contents/828/51.html

[3]《陈小龙：从0到1 为国产碳化硅"开路"》,光明网, https://kepu.gmw.cn/2025-02/14/content_37849954.htm

[4]《12英寸碳化硅衬底实现激光剥离》,中国日报网,https://cn.chinadaily.com.cn/a/202503/28/WS67f62adca310e29a7c4a8422.html

[5]《全球登顶！我国碳化硅衬底产业实现自主引领》,华盛通（综合富士经济2025产业报告）,https://www.hstong.com/news/detail/26032613272663854

[6]《上海杀出未来独角兽：一把融资10亿》,投资界,https://finance.sina.com.cn/jjxw/2025-01-25/doc-inehczma6433513.shtml

[7]《4.03米的"大眼睛"！世界最大口径单体碳化硅反射镜成功研制》,中国科学院长春光机所官网,https://ciomp.cas.cn/kxcb/kpzd/shkp_181722/201812/t20181218_7930590.html

策划制作

作者丨杨珏 科普创作者

审核丨陈小龙 中国科学院院士

罗会仟 中国科学院物理所 研究员

孙明轩 上海工程技术大学教授

策划丨何雨濛

责编丨何雨濛