什么是碳化硅？

碳（C）是元素周期表中第六號元素，在生活中比較常見，最早的碳是在木炭中發(fā)現(xiàn)的?，F(xiàn)代碳化學是由于煤、石油和天然氣等作為燃料而逐漸發(fā)展起來的，并且碳也在有機化學中也扮演者重要角色。碳形成的物質(zhì)性質(zhì)差異很大，自然界硬度最大的物質(zhì)—金剛石，是一種碳單質(zhì)；而另外一種碳單質(zhì)—石墨，質(zhì)地卻是非常柔軟。

滿眼鉆石的小編

硅（Si）與碳處于周期表中的同一列，所以二者化學性質(zhì)也相似。硅在自然界中主要以硅酸鹽或二氧化硅的形式存在，儲量豐富，地殼中的含量僅次于氧，排名第二。提取到純度99%以上的硅單質(zhì)開創(chuàng)了“信息時代”，硅制成的集成電路與晶體管等半導體器件的生產(chǎn)大大加速了信息化的進程，而二氧化硅制造的光纖更是將世界連接了一起。

硅芯片

碳與硅比較常見，那你有沒有想過碳+硅是什么呢？

1疑問，什么是碳化硅

碳加硅會形成一種新的化合物—碳化硅（SiC），俗稱金剛砂。碳化硅在自然界中很罕見，天然碳化硅晶體一般被稱為莫桑石，1893年法國化學家亨利·莫瓦桑首先發(fā)現(xiàn)而命名。那這種物質(zhì)有什么獨特之處嗎？

自然界中的碳化硅

還記得高中學過的硬度表嗎？莫斯以十種礦物的劃痕硬度作為標準，定出十個硬度等級，其中將金剛石的硬度定為10，是該標準中最硬的礦石。碳化硅也屬于超硬材料，硬度達到了9.25，略低于鉆石。

合成的碳化硅粉末開始大規(guī)模生產(chǎn)，用作機械的磨料。由于碳化硅熔點較高，也經(jīng)常被用于高溫、高壓的環(huán)境中?？傊?，碳化硅本身夠硬、抗熱！

碳化硅又是一種具有很強商業(yè)性的半導體材料，一般工業(yè)用于電子元件等的碳化硅都是半導體級別。1907年發(fā)明了第一個碳化硅型的二極管，后來碳化硅也應用到藍色LED的生產(chǎn)之中。甚至碳化硅還可用于生產(chǎn)石墨烯，因為它的化學性質(zhì)促進了石墨烯在碳化硅納米結構表面的生長。甚至還有一種極端生長石墨烯的辦法就是在真空下，高溫分解碳化硅。

人工合成的碳化硅價格大約是鉆石的十分之一，因此被認為是鉆石的良好替代品，也是一種廉價的裝飾品；工業(yè)中用碳化硅多用在半導體、陶瓷等行業(yè)中，可以說碳化硅“上得廳堂，下得廚房”。

碳化硅（SiC）屬于滿足國家戰(zhàn)略需求并符合國民經(jīng)濟建設發(fā)展所需要的關鍵材料。SiC?的研究鏈條很長，涉及基礎科學和工程技術領域的問題，屬于典型的全鏈條科技創(chuàng)新類研究。

2概念，全鏈條科技創(chuàng)新

科學技術是第一生產(chǎn)力。每一次工業(yè)革命都是由科學革命帶來的知識結構革新而發(fā)生的，最終實現(xiàn)技術在社會上的廣泛應用。

光纖傳播信息

例如，信息技術革命的發(fā)展就是由晶體管、巨磁阻（GMR）存儲、光纖、液晶等全鏈條科技創(chuàng)新的實現(xiàn)和不斷迭代構建起來的。全鏈條科技創(chuàng)新涉及科研機構、企業(yè)、政府乃至整個社會，目標是要形成自主關鍵核心技術，乃至形成技術標準體系。

全鏈條科技創(chuàng)新的能力及效率是衡量創(chuàng)新型社會生態(tài)的重要標準，周期越短意味著整合創(chuàng)新資源的能力越強、效率越高。

為早日實現(xiàn)更多的“中國創(chuàng)造”，整合創(chuàng)新資源、營造創(chuàng)新生態(tài)并提高效率尤為重要。從趨勢來看，全鏈條科技創(chuàng)新的前半段主要是基礎研究（絕大多數(shù)還是分散在科研院所和大學等機構），目標清晰之后轉移到以企業(yè)為主的開發(fā)載體上去。

所以物理所在很多科研難點上早早布局，爭取在全鏈條科技創(chuàng)新的前半段做到世界前列。其中就比如物理所的碳化硅研究。

3啟動，物理所碳化硅基礎研究

中科院物理所正式布局?SiC?晶體研究，由陳小龍研究員牽頭。當時相關文獻不多，技術細節(jié)更是一無所知，但依據(jù)晶體學和相圖方面的基礎，陳小龍率領晶體生長課題組從以激光晶體為主轉向以?SiC?晶體生長為主的研究工作。當時，很多先進技術都被發(fā)達國家壟斷，對我國實行嚴格的技術保密和封鎖，甚至產(chǎn)品禁運，而?SiC?晶體也在其列。所以可想而知當時遇到的困難有多大。

物理所M樓

陳小龍任晶體生長研究組組長，對?SiC?晶體生長進行了大量系統(tǒng)的研究。作為目前世界最大的?SiC?材料和器件供應商，美國?CREE?公司從?20?世紀?80?年代初就開展了?SiC?材料的研究。相比而言，物理所開始?SiC?晶體研究的時間晚了?10?余年，但在國內(nèi)而言還是屬于較早的。

陳小龍帶領研究組突破了關鍵的擴晶技術，成功生長出了高質(zhì)量的?2?英寸?4H?和?6H?晶型的?SiC?單晶。通過團隊長周期的基礎研究，最終攻克了?SiC?單晶生長中的種種難題。此外，研究團隊在?SiC?材料新效應、新物性方面也開展了大量基礎研究，包括?SiC?中的摻雜和缺陷在誘導本征磁性起源中的作用、通過缺陷工程調(diào)控半導體磁性、4H SiC?晶體的非線性光學效應、利用?SiC?制備大面積高質(zhì)量的石墨烯及?SiC/石墨烯復合材料，并將?SiC?的應用擴展到了光催化領域。

目前，物理所在?SiC?晶體領域的研究成果已獲授權中國發(fā)明專利?21?項、PCT（專利合作條約）國際專利?6?項，參與起草?SiC?晶體相關國家標準并已實施?3?項，在國際學術刊物上發(fā)表論文?30?余篇。

4升級，物理所碳化硅的產(chǎn)業(yè)之路

為實現(xiàn)?SiC?晶體的產(chǎn)業(yè)化，2006?年?9?月物理所以?SiC?晶體生長相關專利技術出資成立了北京天科合達藍光半導體有限公司（以下簡稱“天科合達公司”），在國內(nèi)率先開始?SiC?晶體產(chǎn)業(yè)化工作。2012?年，公司開始量產(chǎn)?4?英寸?SiC?晶體，2018?年開始量產(chǎn)?6?英寸?SiC?晶體。

在這個過程中，物理所與天科合達公司之間形成了閉環(huán)的全鏈條研發(fā)小生態(tài)，雙方共同承擔各類科技項目?10?項，研發(fā)經(jīng)費達到了約?2.1?億元人民幣。這種小生態(tài)不僅有利于產(chǎn)學研合作研發(fā)和解決技術難題，而且可以彌補初創(chuàng)企業(yè)研發(fā)投入能力的不足。

SiC?晶體產(chǎn)業(yè)化是一個漫長的過程，其中如何提高成品率、優(yōu)品率及達到即開即用是面臨的至關重要的攻關難題。天科合達公司在生產(chǎn)中碰到的技術和工藝問題時，同步反饋到物理所。物理所相關研究團隊投入力量從基礎研究角度對出現(xiàn)的問題根源進行深入分析和實驗，提出可能的解決方案再應用于生產(chǎn)，從而形成研發(fā)和生產(chǎn)良好的反饋互動。成品率、優(yōu)品率問題的提出完全源自企業(yè)研發(fā)的視角，此時整個?SiC?全鏈條研發(fā)小生態(tài)的重點已經(jīng)從實驗室追求新奇的科學視角轉移到滿足市場需求的視角。天科合達公司現(xiàn)任常務副總經(jīng)理、技術總監(jiān)和生產(chǎn)總監(jiān)，是陳小龍研究組的畢業(yè)生，具有企業(yè)家精神的研究生的培養(yǎng)和輸出，對于全鏈條科技創(chuàng)新模式的實現(xiàn)非常重要。

碳化硅制成的鉆戒

物理所團隊堅持基礎研究，又先后在?SiC?晶體生長相關方面取得了?24?項專利。2019?年底上述專利全部轉讓至天科合達公司，為其后續(xù)發(fā)展注入了新的動力。在?SiC?全鏈條科技創(chuàng)新中，新技術在研究所與企業(yè)共同構建的小生態(tài)內(nèi)不斷地閉環(huán)迭代。

截至?2020?年?1?月31日，我國科創(chuàng)板申報企業(yè)累計?209?家，其中?92?家獲得審核通過，平均上市周期為?13.68?年。這?92?家科創(chuàng)板企業(yè)中，上市周期（公司注冊到上市的時間）20?年以上的達?6?家，占?7%；15—20?年的?23?家，占?25%；10—15?年的?36?家，占?39%；5—10?年的?27?家，占?29%。天科合達公司從?2006?年設立到?2017?年公司實現(xiàn)首次盈利經(jīng)歷了?11?年時間。2019?年底，天科合達公司成為國內(nèi)和亞洲地區(qū)最大的?SiC?供應商之一。

碳化硅晶元

比較而言，等到企業(yè)再成熟，這個周期將是一個接近平均周期?13.68?年的結果。當然與巨磁阻存儲、光纖通信、藍光LED和鋰離子電池等相比，整個?SiC?半導體行業(yè)的應用廣度和深度還有很大差距，相比?19—43?年的周期也較短。但是，按全鏈條科技創(chuàng)新的模式統(tǒng)計，SiC?研究的周期已達到了?35?年。

5啟示，國立研究機構的創(chuàng)新

綜上所述，無論科技創(chuàng)新和推廣創(chuàng)新采取怎樣的范式進步，最終都會體現(xiàn)在全鏈條科技創(chuàng)新的效率上。效率越高，周期越短。

如果能夠充分調(diào)動科學家和企業(yè)家這兩類創(chuàng)新主體發(fā)揮主觀能動性，實現(xiàn)無縫融合，就能有效縮短周期。所以碳化硅的產(chǎn)業(yè)之路也為國立科研機構參與全鏈條科技創(chuàng)新帶來了許多啟示：

1.全鏈條科技創(chuàng)新的過程很長，要完成從科學研究到市場推廣的全過程，需要適應從科研文化向市場標準的轉變

2.就現(xiàn)階段而言，由于全鏈條科技創(chuàng)新壁壘高、風險大、周期長，尤其涉及前期的基礎研究和應用基礎研究，國立研究機構需繼續(xù)發(fā)揮重要作用

3.對于國立研究機構中已經(jīng)有明顯應用導向的研究單元，需要更積極地適應市場生態(tài)，這些研究單元內(nèi)的研究生教育要強調(diào)企業(yè)家精神的培養(yǎng)
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