一片薄到几乎“隐形”的半导体薄膜，厚度仅三根头发丝并排那么宽，却可能在未来，成为电网、高铁、大型船舶的“超强心脏”——更耐高压、更节能、更紧凑。
近日，浙江大学杭州国际科创中心（简称科创中心）先进半导体研究院的皮孝东教授和王蓉研究员团队，成功“长”出了厚度超过300微米的碳化硅超厚外延薄膜，首次在国际上实现这一厚度级别的稳定制备。
它薄如蝉翼，几乎感觉不到存在；但在电力世界中，它却能稳稳“扛住”3万伏的高电压冲击。
01
厚度翻十倍，难度翻百倍
碳化硅，作为一种比传统硅更“扛打”的材料，能耐受更高电压、温度和频率，已成为电动汽车、光伏发电等领域的“关键角色”。
“目前主流碳化硅功率器件，耐压在3300伏以内，对应厚度30微米的外延薄膜就够用了。”王蓉研究员介绍道，“但智能电网、大型船舶等应用场景，电压可能高达3万伏——相当于普通电动汽车的46倍。这要求外延薄膜的厚度从几十微米增加到300微米，相当于增厚10倍以上。”
厚度增加听起来简单，难度却是几何级上升。外延生长越厚，材料内部积累的应力就越大，缺陷的累积效应也越严重。为此，团队在设备、工艺、缺陷控制等方面开展了系统性攻关，最终开发出一整套超厚碳化硅外延薄膜生长与缺陷控制技术，成功制备出厚度达312微米的碳化硅外延片，表面致命缺陷密度低至0.75个/平方厘米。这也是国际上首次公开报道厚度超过300微米的碳化硅外延材料（International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 313, 2025）。
02
用“光”做缝针，扫清材料“纹路瑕疵”
随着厚度持续增加，材料内部会出现一种名为“肖克利型层错”的微观缺陷。它就像编织防弹衣时出现的花纹错位，平时看不见，可一旦材料处于高压、高温等工作状态，这些“错位”就会逐渐扩大，严重威胁器件可靠性。
团队从能带结构入手，揭示了该缺陷在电场下不断扩张的物理机制，并提出一项创新后处理技术：用低功率紫外光“扫描”材料表面，协同高温处理，促使缺陷内部的电子被抽取出来，让这些微观瑕疵逐渐收缩、直至消失。
“就像用一枚‘光子缝针’，把材料内部的‘纹路起伏’扫得整整齐齐。”这项技术可对440兆帕应力下诱发的肖克利型层错实现100%消除，为超厚碳化硅材料的缺陷控制提供了全新思路。相关创新成果已发表于SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy (中国科学：物理学 力学 天文学)。
03
打开三万伏级电力的产业大门
300微米超厚外延的直接价值，是打开了3万伏级以上功率器件的应用大门。
我国正在建设的新型智能电网配电网电压等级在1万到3.5万伏之间、高铁接触网电压为2.75万伏、大型全电推进船舶的直流电网电压也可达数千至数万伏，这些领域，恰恰是30千伏级碳化硅器件的“用武之地”。
用上这种材料，电网的开关损耗会更低，高铁牵引系统的能耗和噪音会明显下降，船舶的电缆重量和体积也能大幅缩减。
不仅如此，这一厚度也刚好满足了量子信息和辐射探测对碳化硅材料的特殊需求。同一片材料，未来既可以守护国家电网，也可以探测外太空的未知射线。
“从‘能不能做’到‘何时量产’，我们已走完关键一步。”团队表示，这项突破为我国在高压功率半导体领域的自主可控提供了重要的材料支撑，让未来电网、高铁、巨轮的“超强心脏”离现实更近一步。
自成立以来，先进半导体研究院半导体碳化硅材料研究团队在半导体碳化硅材料的生长及其应力、杂质、缺陷等研究方面开展了大量理论和实验研究，取得了系列研究成果。根据Web of Science的数据，近三年来，团队在半导体碳化硅材料领域的论文发表已经形成显着的影响力。团队申请的发明专利已经有70余项获得了授权，其中11项已完成技术转让或许可，正在扎实推进成果的产业化。
信息来源：浙大杭州国际科创中心
