碳化硅单晶生长有多难？2000℃炉子里一周，打开全裂缝

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一个看不见的炉子

20世纪90年代末期, 于中科院物理所的实验室当中, 陈小龙团队围绕着一台自行制造的生长炉, 仿若围绕着一个黑匣子一般。这台炉子无法买到, 仅仅能够自己绘制图纸去寻找厂家进行定制。它没有窗口, 也没有摄像头, 根本什么都看不见。他们唯有等待一周时间, 等候炉子冷却下来, 打开之后才能够知晓里面究竟生长出了什么。一周的时长、昂贵的材料以及经过无数次调试的参数, 也许会全部化为泡影。在业内, 将这种工作称作“在2000℃的黑匣子里蒙眼绣花”。

买不到的籽晶

在美国和日本早就牢牢掌握这项技术的企业那里, 他们不但不卖设备, 而且连生长晶体所需的“引子”, 也就是籽晶, 都进行了死死的封锁, 你花再多钱都没法买到。陈小龙团队能买到的东西极为有限, 很多时候根本就什么都买不到。设备得自己制造, 籽晶要自己熬制, 且连可供参考的文献都少得可怜。就这样, 他们踏上了从零到一的道路。

六边形战士

被称作“六边形战士”的是碳化硅, 它的禁带宽度为硅的3倍, 处在面对数千伏工作电压的状况下, , 能够稳定承受而不出现问题, 其导热能力是硅的3.3倍, 散热效率非常高, 就犹如芯片自身配备了“大功率风扇”, , 它抗压能力强、不怕热, 并且损耗还很低, 普通的硅芯片在极端环境里, 要么损耗过度, 要么直接瓦解, , 然而碳化硅便是使得这所有情况成为可行的关键部件。

蒙眼绣花

普通的硅晶体, 在大约1400℃的时候达到融化状态, 将其拉出晶棒相对而言较为直接。碳化硅却呈现出完全不一样的情况, 它在常压的状态下根本不存在液态, 当温度上升到2600℃时会直接从固体转变为气体。这个过程是在一个处于密封状态的石墨坩埚里展开进行的, 从外部什么都无法看见。仅仅几度的温差, 还有一点点的震动, 都会致使晶体内部产生缺陷, 结果就是整批产品作废。这就是“蒙眼绣花”的真实所指含义。

从指甲盖到14英寸

陈小龙所带的团队, 历经艰辛熬制出了第一颗如指甲盖那般大小的晶体, 接着是尺寸更大的, 随后开始实施切片操作, 将其做成衬底, 以此为基础一路往下做器件、做模块和做产品。碳化硅衬底用于衡量一件事物至关重要的标为“英寸数”, 具体而言就是直径越大, 那么单片能够制造出的芯片数量就越多, 相应地成本也就越低。从仅仅 2 英寸直至 4 英寸、6 英寸, 每一次取得的突破背后都蕴含着数年时间累积起来的成果。在 2026 年 3 月, 已经存在有中国企业成功研制出了 14 英寸的碳化硅单晶材料。

新能源车的隐形心脏

于你那新能源汽车内, 电机控制器里的其所对应的碳化硅这一功率模块, 致使电驱系统的体积给缩小了40%, 整车续航实实在在地提升了5%直至10%之多。那些可以达成“充电5分钟续航200公里”的液冷超级充电桩, 其内部的电能转换核心竟是碳化硅芯片。在大西北的戈壁滩之上, 光伏面板于极端暴晒以及巨大温差的状况里开展工作, 搭载了碳化硅芯片的光伏逆变器, 能够把直流电转换效率最大限度提升至99%以上。

从地面到太空

在5G基站之中, 在数据中心里面, 伴随生成式AI的爆发, 功耗成为了最大的瓶颈, 散热成为了最大的瓶颈。碳化硅具备导热特性, 这使得基站就算全负荷运转, 依然能够维持稳定, 其设备体积更小, 甚至能够挂在路灯杆之上。它如今正渐渐成为大型数据中心电源系统的核心组件。地面上一辆实施快充的汽车, 几百公里外轨道上那面极大的镜子, 它们呈现的是同一种材料的不同面貌。

二十年一场逆袭

陈小龙团队起初守着那座自制生长炉, 彼时全球碳化硅衬底市场近乎是美国一家公司的独家把控局面。然而当下, 天科合达、天岳先进等中国企业于碳化硅衬底领域的全球市场份额不断攀升, 在多项关键指标方面已然超过美国老牌巨头企业, 结束了该领域持续数十年的“一国独大”态势。

请问你是否知晓, 你每日所驾驶的新能源车, 极有可能装载着当年那间实验室里所历经的犹如“蒙着眼睛绣花”般艰难取得的成果? 你可还记得初次体验快充之时, 目睹充电桩上迅速飙升的数字之际, 内心所涌起的那般惊喜之情吗? 于评论区分享交流各自的感受, 点赞并进行转发, 以此促使更多的人得以看到这场堪称从无到有的了不起的逆袭。

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