超越美国老牌巨头！中国碳化硅 20 年突围记

1990年代末，中国科学院物理研究所的一间实验室里，陈小龙团队正守在一台外形笨拙的生长炉旁边。

这台炉子不

是买来的，是他们自己画图纸、找厂家一件件定制出来的——因为当时市面上根本买不到合适的设备，因为卖家不卖，或者根本没人做。

他们在等待的东西，叫做碳化硅（SiC）单晶。

炉子里的温度超过2000℃。没有任何光学仪器能看进去，没有摄像头，没有窗口，什么都看不见。晶体就在那个密封的石墨坩埚里，在完全的黑暗和高温中，按照自己的节奏生长——或者不生长。一周后，等炉子冷却，打开，才能知道结果。

打开之后，是裂缝。一周的时间、昂贵的材料、无数次调试的参数，全部作废。然后，他们重新开始。

这一幕，在那间实验室里，发生了一次又一次。业内后来把这种工作叫做“在2000℃的黑匣子里蒙眼绣花”——温度稍有偏差，震动稍有起伏，长出来的晶体就会布满缺陷，一切归零。

陈小龙（前）和团队在做实验（非90年代）| 中国科学院物理研究所

而那时候，美国和日本的企业早已把这项技术牢牢握在手里——技术封锁，不卖设备，连生长晶体所需要的最初“引子”——籽晶——都买不到。没有籽晶，他们就从头熬。熬出了第一颗，只有指甲盖大小，但那是他们自己的。

这是中国碳化硅故事的起点。

这块材料，凭什么值得拼命？

想象你开着一辆新能源车，插上充电枪，5分钟后显示续航增加了200公里。这背后发生了什么？

充电桩在极短时间内把大量电能塞进电池，电压高达800伏，电流大、速度快、热量猛。普通的硅基芯片在这种条件下扛不住：要么损耗太大，要么直接崩溃。而碳化硅芯片，就是让这件事成为可能的关键部件。

8英寸SiC晶体和晶片| 中国科学院物理研究所

碳化硅被称为第三代半导体核心材料。比起我们熟悉的硅（手机、电脑芯片的主材），它有一些至关重要的物理特质可以保障在极端环境下正常使用。

1 扛得住高压

通常来说，材料的“禁带宽度”决定了它能承受多高的电压。可以把它理解成一道坝：坝越高，能拦住的洪峰越大。

硅的“坝”比较矮，电压稍高就容易“漏电”甚至崩溃；碳化硅的禁带宽度是硅的3倍，相当于把大坝加高至了三倍，能稳稳扛住数千伏的工作电压而不出问题。这让它成为了高压电力系统的理想选择。

2 不怕热

芯片在工作时会发热，过热就会损坏。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转。这让设备不需要笨重的散热装置，体积得以大幅缩小。

扛高压、不怕热，且损耗还低——业界称之为“六边形战士”。正因如此，凡是需要在极端条件下高效处理电能的场景，碳化硅都是无可替代的核心：新能源汽车、5G通信基站、光伏电站、雷达系统……每一个都是万亿级的赛道。

所以，谁掌握了碳化硅，谁就掌握了这场能源革命的入口。而在相当长的时间里，这个入口，掌握在别人手里。

“黑匣子”里的二十年

碳化硅的制造，从一块晶锭开始。

普通的硅晶体，在约1400℃时融化，拉出晶棒，相对直接。碳化硅则完全不同——它在常压下根本没有液态，温度升到2600℃会直接从固体变成气体，跳过了液态这个环节。

这意味着科学家必须用一种极其反直觉的方式来“种”晶体：把碳化硅粉末加热到2000℃以上，让它变成气体，再让气体在温度稍低的“籽晶”表面重新凝结、结晶，一层一层地堆出一块完整的单晶。

这个过程在一个密封的石墨坩埚里进行，从外面什么也看不见。几度的温差、一点点震动，都会让晶体内部产生缺陷，整批作废。这就是“蒙眼绣花”的真实含义：在完全的黑暗里，凭借经验和仪器的间接读数，极其精细地控制一个谁也看不见的过程。

陈小龙团队从1990年代末开始干这件事的时候，美日企业已经在这条路上走了十几年，专利壁垒密不透风。中国团队能买到的东西极其有限，很多时候根本什么都买不到。设备要自己造，籽晶要自己熬，连可以参考的文献都少得可怜。

就这样熬出了第一颗指甲盖大小的晶体，然后是更大的，然后开始切片、做成衬底，再往下做器件、做模块、做产品。

陈小龙研究员手持碳化硅单晶衬底|光明网

衡量碳化硅衬底的一个关键指标是“英寸数”：直径越大，单片能做出的芯片越多，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。

陈小龙研究员带领的SiC及相关材料团队成功建设了一条SiC外延工艺研发产线|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。

碳化硅是仅次于金刚石的超硬材料，把晶锭切成薄片时，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”从内部剥开晶体，损耗降低了一半。他们干脆直接绕开了对手曾经跑过的那条路。

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。

它已经在你我身边

技术突破最终的意义，在于它去了哪里。

在你的新能源汽车里，电机控制器里那块碳化硅功率模块，让电驱系统的体积缩小了40%，整车续航实打实地提升了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。国内的主流电车品牌几乎全部引入了这套方案。

在大西北的戈壁滩上，光伏面板在极端暴晒和巨大温差中工作。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流失，让绿电更稳定、更经济地送出去。

在5G基站和数据中心里，随着生成式AI爆发，功耗和散热已经成为最大的瓶颈。碳化硅的导热特性让基站即便全负荷运转也能保持稳定，设备体积更小，甚至可以挂在路灯杆上。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，用来看清宇宙深处。

科研人员检查4米量级高精度碳化硅非球面反射镜表面情况|中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

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面孔。

陈小龙团队最初守着那台自制生长炉的时候，全球碳化硅衬底市场几乎是美国一家公司的独角戏。那个炉子里什么也看不见，一周开一次炉，结果好坏全凭运气和经验。

二十多年过去了，那个炉子早就换了更大、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跟随。

但这个故事里最值得记住的，大概不是那些市占率的数字，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。

黑匣子还在。只不过，现在里面长出来的东西，正在点亮你我的日常。

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