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(xué)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(jī)化學(xué)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(xué)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(dǎo)體器件的生產(chǎn)大大加速了信息化的進(jìn)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(xué)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(dú)特之處嗎？

自然界中的碳化硅

還記得高中學(xué)過的硬度表嗎？莫斯以十種礦物的劃痕硬度作為標(biāo)準(zhǔn)，定出十個硬度等級，其中將金剛石的硬度定為10，是該標(biāo)準(zhǔn)中最硬的礦石。碳化硅也屬于超硬材料，硬度達(dá)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(jī)械的磨料。由于碳化硅熔點(diǎn)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(qiáng)商業(yè)性的半導(dǎo)體材料，一般工業(yè)用于電子元件等的碳化硅都是半導(dǎo)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(yīng)用到藍(lán)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(xué)性質(zhì)促進(jìn)了石墨烯在碳化硅納米結(jié)構(gòu)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(rèn)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(dǎo)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(jì)建設(shè)發(fā)展所需要的關(guān)鍵材料。SiC?的研究鏈條很長，涉及基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)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(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。每一次工業(yè)革命都是由科學(xué)革命帶來的知識結(jié)構(gòu)革新而發(fā)生的，最終實現(xiàn)技術(shù)在社會上的廣泛應(yīng)用。

光纖傳播信息

例如，信息技術(shù)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(gòu)建起來的。全鏈條科技創(chuàng)新涉及科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)、政府乃至整個社會，目標(biāo)是要形成自主關(guān)鍵核心技術(shù)，乃至形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，周期越短意味著整合創(chuàng)新資源的能力越強(qiáng)、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(chǔ)研究（絕大多數(shù)還是分散在科研院所和大學(xué)等機(jī)構(gòu)），目標(biāo)清晰之后轉(zhuǎn)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(diǎn)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(chǔ)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(dāng)時相關(guān)文獻(xiàn)不多，技術(shù)細(xì)節(jié)更是一無所知，但依據(jù)晶體學(xué)和相圖方面的基礎(chǔ)，陳小龍率領(lǐng)晶體生長課題組從以激光晶體為主轉(zhuǎn)向以?SiC?晶體生長為主的研究工作。當(dāng)時，很多先進(jìn)技術(shù)都被發(fā)達(dá)國家壟斷，對我國實行嚴(yán)格的技術(shù)保密和封鎖，甚至產(chǎn)品禁運(yùn)，而?SiC?晶體也在其列。所以可想而知當(dāng)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(jìn)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(yīng)商，美國?CREE?公司從?20?世紀(jì)?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(lǐng)研究組突破了關(guān)鍵的擴(kuò)晶技術(shù)，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(tuán)隊長周期的基礎(chǔ)研究，最終攻克了?SiC?單晶生長中的種種難題。此外，研究團(tuán)隊在?SiC?材料新效應(yīng)、新物性方面也開展了大量基礎(chǔ)研究，包括?SiC?中的摻雜和缺陷在誘導(dǎo)本征磁性起源中的作用、通過缺陷工程調(diào)控半導(dǎo)體磁性、4H SiC?晶體的非線性光學(xué)效應(yīng)、利用?SiC?制備大面積高質(zhì)量的石墨烯及?SiC/石墨烯復(fù)合材料，并將?SiC?的應(yīng)用擴(kuò)展到了光催化領(lǐng)域。

目前，物理所在?SiC?晶體領(lǐng)域的研究成果已獲授權(quán)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(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)并已實施?3?項，在國際學(xué)術(shù)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(guān)專利技術(shù)出資成立了北京天科合達(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體有限公司（以下簡稱“天科合達(dá)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(dá)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(dān)各類科技項目?10?項，研發(fā)經(jīng)費(fèi)達(dá)到了約?2.1?億元人民幣。這種小生態(tài)不僅有利于產(chǎn)學(xué)研合作研發(fā)和解決技術(shù)難題，而且可以彌補(bǔ)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(dá)到即開即用是面臨的至關(guān)重要的攻關(guān)難題。天科合達(dá)公司在生產(chǎn)中碰到的技術(shù)和工藝問題時，同步反饋到物理所。物理所相關(guān)研究團(tuán)隊投入力量從基礎(chǔ)研究角度對出現(xiàn)的問題根源進(jìn)行深入分析和實驗，提出可能的解決方案再應(yīng)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(diǎn)已經(jīng)從實驗室追求新奇的科學(xué)視角轉(zhuǎn)移到滿足市場需求的視角。天科合達(dá)公司現(xiàn)任常務(wù)副總經(jīng)理、技術(shù)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(tuán)隊堅持基礎(chǔ)研究，又先后在?SiC?晶體生長相關(guān)方面取得了?24?項專利。2019?年底上述專利全部轉(zhuǎn)讓至天科合達(dá)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(shù)在研究所與企業(yè)共同構(gòu)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(dá)?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(dá)公司從?2006?年設(shè)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(dá)公司成為國內(nèi)和亞洲地區(qū)最大的?SiC?供應(yīng)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(jié)果。當(dāng)然與巨磁阻存儲、光纖通信、藍(lán)光LED和鋰離子電池等相比，整個?SiC?半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)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(dá)到了?35?年。

5啟示，國立研究機(jī)構(gòu)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(jìn)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(xué)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(jī)構(gòu)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(xué)研究到市場推廣的全過程，需要適應(yīng)從科研文化向市場標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)變

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

3.對于國立研究機(jī)構(gòu)中已經(jīng)有明顯應(yīng)用導(dǎo)向的研究單元，需要更積極地適應(yīng)市場生態(tài)，這些研究單元內(nèi)的研究生教育要強(qiáng)調(diào)企業(yè)家精神的培養(yǎng)
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